《半導(dǎo)體激光器》PPT課件.ppt

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1、S i G e G a A s 1962 G a A s G a A l A s- G a A s I I I V G a A s I I V I C dS I V V I P bS nT e 元 素 半 導(dǎo) 體 半 導(dǎo) 體 化 合 物 半 導(dǎo) 體 年 研 制 出 第 一 臺 半 導(dǎo) 體 激 光 器 ， 同 質(zhì) 結(jié) 激 光 器 。 1970 年 研 制 成 功 在 室 溫 下 連 續(xù) 工 作 的 雙 異 質(zhì) 結(jié) 激 光 器 。 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 （ ） 半 導(dǎo) 體 激 光 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 （ 硫 化 鎘 ） 器 的 材 料 族 化 合 物 半 導(dǎo) 體 （ 鉛 錫 碲 ）

2、6-3 半導(dǎo)體激光器 S i Ge Ga A s Ga P 一 、 半 導(dǎo) 體 基 礎(chǔ) 知 識 1 、 電 子 的 共 有 化 運 動 和 ： 金 剛 石 結(jié) 構(gòu) ， 兩 個 面 心 結(jié) 構(gòu) 沿 體 對 角 線 方 向 移 動 四 分 之 一 距 離 。 和 ： 閃 鋅 礦 結(jié) 構(gòu) ， 亦 為 兩 個 面 心 結(jié) 構(gòu) 沿 體 對 角 線 方 向 移 動 四 分 之 一 距 離 ， 區(qū) 別 為 兩 個 面 心 結(jié) 構(gòu) 為 不 同 原 子 構(gòu) 成 。 原 子 之 間 通 過 共 用 電 子 對 間 的 庫 侖 作 用 結(jié) 合 ， 共 用 電 子 對 產(chǎn) 生 共 有 化 運 動 。 1 3 G a

3、A s G a s 4 p A s s 4 p 2 2 以 為 例 ， 原 子 序 數(shù) 分 別 為 ： 31 4 33 4 ： 在 半 導(dǎo) 體 中 ， 最 外 層 電 子 不 僅 會 受 到 自 己 所 屬 原 子 核 的 作 用 ， 同 時 還 會 受 到 相 鄰 原 子 的 作 用 ， 電 子 運 動 的 軌 道 發(fā) 生 重 疊 ， 電 子 可 以 從 一 個 原 子 轉(zhuǎn) 移 到 相 鄰 原 子 ， 再 通 過 軌 道 重 疊 ， 電 子 可 以 轉(zhuǎn) 移 到 更 遠 的 原 子 上 去 ， 最 終 電 子 在 整 個 晶 體 內(nèi) 運 動 。 此 時 ， 最 外 層 電 子 已 不 再 屬

4、于 某 一 個 原 子 ， 而 是 為 整 個 晶 體 所 共 有 ， 電 子 的 這 種 運 動 稱 為 共 有 共 有 化 運 動 化 運 動 。 N N 2 、 能 級 結(jié) 構(gòu) 量 子 力 學 證 明 ： 在 晶 體 的 形 成 過 程 中 ， 當 個 原 子 相 互 靠 近 時 ， 由 于 相 鄰 原 子 的 擾 動 ， 原 子 中 的 能 級 分 裂 為 個 新 能 級 。 由 于 原 子 的 個 數(shù) 非 常 多 ， 新 能 級 數(shù) 目 很 大 ， 相 鄰 能 級 的 能 量 差 很 小 ， 近 似 為 連 續(xù) 的 能 級 ， 即 構(gòu) 成 了 能 帶 。 能 帶 與 能 帶 之 間

5、不 允 許 電 子 存 在 ， 稱 為 禁 帶 。 由 價 電 子 能 級 （ 基 態(tài) 能 級 ） 分 裂 的 能 帶 稱 為 價 帶 ； 由 激 發(fā) 態(tài) 能 級 分 裂 得 到 的 能 帶 稱 為 導(dǎo) 帶 。 價 帶 與 導(dǎo) 帶 之 間 為 禁 帶 ， 之 間 的 寬 度 稱 為 禁 帶 寬 度 。 G a A s G e S i 被 電 子 填 滿 的 能 帶 滿 帶 無 電 子 填 充 的 能 帶 空 帶 在 溫 度 較 低 時 ， 、 、 等 半 導(dǎo) 體 材 料 的 價 帶 為 滿 帶 ， 導(dǎo) 帶 為 空 帶 。 在 溫 度 較 高 時 ， 電 子 由 于 熱 運 動 可 以 躍 遷

6、到 導(dǎo) 帶 上 。 同 時 ， 在 價 帶 上 留 下 一 個 空 位 ， 稱 為 空 穴 。 P N Ga A s I I I V 3 、 本 征 半 導(dǎo) 體 和 摻 雜 半 導(dǎo) 體 純 凈 的 、 不 摻 雜 的 半 導(dǎo) 體 本 征 半 導(dǎo) 體 自 由 電 子 和 空 穴 很 少 。 的 是 摻 雜 半 導(dǎo) 體 。 型 半 導(dǎo) 體 （ 空 穴 多 ） 摻 雜 半 導(dǎo) 體 型 半 導(dǎo) 體 （ 電 子 多 ） 以 為 例 ， 族 常 用 化 合 物 。 G a A s V I 0 .0 0 3 e V N 在 內(nèi) 摻 入 族 元 素 ， 會 在 導(dǎo) 帶 下 面 形 成 雜 質(zhì) 能 級 。 由

7、于 雜 質(zhì) 能 級 與 導(dǎo) 帶 底 的 能 量 差 很 小 ， 電 子 很 容 易 躍 遷 到 導(dǎo) 帶 中 去 ， 同 時 在 原 來 的 能 級 上 形 成 空 穴 。 這 種 雜 質(zhì) 稱 為 施 主 雜 質(zhì) ， 相 應(yīng) 的 能 級 為 施 主 能 級 ， 摻 入 施 主 雜 質(zhì) 的 半 導(dǎo) 體 稱 為 電 子 型 半 導(dǎo) 體 或 型 半 導(dǎo) 體 。 II G a A s Z n e V P 摻 入 族 元 素 ， 在 價 帶 上 面 形 成 受 主 能 級 ， 價 帶 上 的 電 子 在 熱 激 發(fā) 下 ， 可 以 躍 遷 到 受 主 能 級 上 ， 同 時 在 價 帶 中 形 成 空 穴

8、 。 中 受 主 雜 質(zhì) 的 電 離 能 為 0.024 ， 摻 入 受 主 雜 質(zhì) 的 半 導(dǎo) 體 稱 為 空 穴 型 半 導(dǎo) 體 或 型 半 導(dǎo) 體 。 N P N P 摻 雜 濃 度 低 ， 雜 質(zhì) 能 級 分 立 ； 摻 雜 濃 度 高 ， 形 成 雜 質(zhì) 能 帶 。 對 半 導(dǎo) 體 摻 雜 ， 可 顯 著 提 高 導(dǎo) 電 能 力 ， 半 導(dǎo) 體 中 的 電 子 和 空 穴 都 可 以 起 到 導(dǎo) 電 的 作 用 ， 稱 為 載 流 子 。 型 半 導(dǎo) 體 中 的 電 子 多 數(shù) 載 流 子 型 半 導(dǎo) 體 中 的 空 穴 載 流 子 型 半 導(dǎo) 體 中 的 空 穴 少 數(shù) 載 流 子

9、 型 半 導(dǎo) 體 中 的 電 子 23 4 E 1 () 1 1.38 10 / F e EE kT F fE e k k J K T E 、 電 子 和 空 穴 的 統(tǒng) 計 分 布 半 導(dǎo) 體 中 的 電 子 滿 足 費 米 - 狄 拉 克 分 布 率 ， 即 ： 在 熱 平 衡 條 件 下 ， 一 個 電 子 占 據(jù) 能 量 為 的 能 級 的 幾 率 為 ： 玻 耳 茲 曼 常 數(shù) ， （ ） 絕 對 溫 度 費 米 能 級 ， 表 示 電 子 填 充 該 能 級 幾 率 為 50 的 能 級 。 F a 1 E E ( ) 50% 2 0 ( ) 1 0 ( ) 0 e FF e F

10、e fE E E E E k T fE E E k T fE ： 本 征 半 導(dǎo) 體 費 米 能 級 在 禁 帶 中 間 當 = 時 ， 在 價 帶 上 ， ， 且 價 帶 為 滿 帶 在 導(dǎo) 帶 上 ， 導(dǎo) 帶 為 空 帶 導(dǎo)帶 價帶 F F P E P P N E NN b c 、 重 摻 雜 型 半 導(dǎo) 體 靠 近 價 帶 頂 ， 甚 至 進 入 價 帶 內(nèi) 部 。 型 半 導(dǎo) 體 空 穴 為 多 數(shù) 載 流 子 。 在 型 半 導(dǎo) 體 中 存 在 大 量 空 穴 ， 價 帶 中 的 電 子 很 容 易 躍 遷 到 雜 質(zhì) 能 級 上 ， 從 而 使 費 米 能 級 下 降 。 、 重

11、摻 雜 型 半 導(dǎo) 體 靠 近 導(dǎo) 帶 底 ， 甚 至 進 入 導(dǎo) 帶 內(nèi) 部 型 半 導(dǎo) 體 電 子 為 多 數(shù) 載 流 子 。 在 型 半 導(dǎo) 體 中 存 在 大 量 電 子 ， 這 些 電 子 很 容 易 躍 遷 到 導(dǎo) 帶 上 去 ， 相 當 于 電 子 的 填 充 程 度 很 高 ， 從 而 使 費 米 能 級 上 升 。 () 11 1 ( ) 1 11 FF e e E E E E k T k T fE fE ee 費 米 能 級 性 質(zhì) ： （ 1 ） 費 米 能 級 為 假 想 能 級 ， 實 際 上 不 存 在 ， 只 是 為 了 反 映 電 子 的 填 充 水 平 。 （

12、 2 ） 電 子 與 空 穴 占 有 某 一 能 級 的 幾 率 之 和 為 1 。 若 電 子 占 有 幾 率 為 ， 則 空 穴 占 有 的 幾 率 為 ： （ 3 ） 一 個 熱 平 衡 系 統(tǒng) 只 有 一 個 費 米 能 級 。 5 p- n pn p- n G a A s p- n pn pn np p- n 、 結(jié) 將 型 半 導(dǎo) 體 和 型 半 導(dǎo) 體 結(jié) 合 在 一 起 ， 在 接 觸 面 上 形 成 結(jié) 。 半 導(dǎo) 體 激 光 器 就 是 由 結(jié) 發(fā) 出 的 光 。 在 型 半 導(dǎo) 體 和 型 半 導(dǎo) 體 兩 側(cè) 存 在 著 空 穴 和 電 子 的 濃 度 差 ， 區(qū) 內(nèi) 的

13、 空 穴 向 區(qū) 擴 散 ， 區(qū) 內(nèi) 的 電 子 向 區(qū) 擴 散 ， 在 結(jié) 內(nèi) 空 穴 與 電 子 復(fù) 合 ， 只 剩 下 受 主 雜 質(zhì) 離 子 和 施 主 雜 質(zhì) 離 子 ， 形 成 空 間 電 荷 區(qū) 。 D D D n p V n p e V p- n e V ( ) ( ) F N F P EE 在 空 間 電 荷 區(qū) 內(nèi) ， 形 成 內(nèi) 建 電 場 ， 電 場 方 向 由 區(qū) 指 向 區(qū) 。 內(nèi) 建 電 場 將 阻 止 擴 散 過 程 繼 續(xù) 發(fā) 生 ， 完 全 阻 止 時 ， 系 統(tǒng) 達 到 平 衡 。 在 界 面 上 出 現(xiàn) 了 接 觸 電 位 差 ， 電 子 在 由 區(qū) 擴

14、 散 到 區(qū) 的 過 程 中 ， 能 量 增 加 了 ， 等 于 結(jié) 兩 端 費 米 能 級 能 量 差 。 在 系 統(tǒng) 平 衡 后 ， 費 米 能 級 為 一 直 線 。 從 左 到 右 ， 電 子 填 充 水 平 不 斷 增 加 ； 從 右 到 左 ， 空 穴 填 充 水 平 不 斷 增 加 。 D 6 p- n pn p eV e V - V p nn p 、 加 正 向 電 壓 時 的 結(jié) 在 結(jié) 的 兩 端 加 正 向 直 流 電 壓 時 ， 原 來 的 內(nèi) 建 電 場 將 被 削 弱 ， 勢 壘 降 低 ， 區(qū) 能 帶 下 移 ， 下 降 的 能 量 為 。 費 米 能 量 差 變

15、 為 （ ） 。 更 多 的 電 子 進 入 區(qū) ， 更 多 的 空 穴 進 入 區(qū) 。 注 入 區(qū) 的 空 穴 和 注 入 區(qū) 的 電 子 稱 為 非 平 衡 少 數(shù) 載 流 子 。 ( ) ( ) p ( ) n p () pn n ( ) F N F P FN FN FP EE E E E 由 于 非 平 衡 少 數(shù) 載 流 子 的 引 入 ， 使 費 米 能 級 發(fā) 生 了 變 化 ， 已 經(jīng) 不 再 適 用 ， 引 入 新 的 費 米 能 級 描 述 電 子 和 空 穴 占 有 能 級 的 情 況 準 費 米 能 級 。 記 為 和 。 在 區(qū) ， 能 級 是 傾 斜 的 ， 這 是

16、 因 為 由 區(qū) 擴 散 來 的 電 子 在 擴 散 過 程 中 不 斷 與 區(qū) 的 空 穴 復(fù) 合 ， 所 以 電 子 數(shù) 不 斷 減 少 ， 不 斷 下 降 。 同 理 ， 由 區(qū) 擴 散 來 的 空 穴 與 區(qū) 的 電 子 不 斷 復(fù) 合 ， 所 以 ， 區(qū) 的 也 是 傾 斜 的 。 p g hE 電 子 與 空 穴 復(fù) 合 ， 即 電 子 由 導(dǎo) 帶 進 入 價 帶 ， 多 出 的 能 量 以 光 子 的 形 式 釋 放 出 來 。 光 子 的 能 量 為 （ 禁 帶 寬 度 ） 。 在 半 導(dǎo) 體 激 光 器 中 ， 這 部 分 區(qū) 域 稱 為 有 源 區(qū) 或 作 用 區(qū) 。 少

17、數(shù) 載 流 子 擴 散 的 平 均 距 離 稱 為 擴 散 長 度 。 電 子 的 擴 散 長 度 大 于 空 穴 的 擴 散 長 度 ， 所 以 半 導(dǎo) 體 的 有 源 區(qū) 一 般 都 靠 近 區(qū) 。 外 加 電 壓 越 大 ， 擴 散 長 度 越 大 。 1 G a A s p- n p n p- n p- n G a A s 二 、 注 入 式 同 質(zhì) 結(jié) 半 導(dǎo) 體 激 光 器 、 結(jié) 構(gòu) 1962 年 研 制 成 功 ， 半 導(dǎo) 體 激 光 器 。 同 質(zhì) 結(jié) ： 結(jié) 由 同 一 種 材 料 的 型 和 型 構(gòu) 成 。 結(jié) 正 向 注 入 式 半 導(dǎo) 體 激 光 器 電 子 束 激

18、勵 的 泵 浦 方 式 光 激 勵 碰 撞 電 離 激 勵 諧 振 腔 ： 結(jié) 的 兩 個 端 面 構(gòu) 成 平 行 平 面 腔 。 方 法 ： 利 用 晶 體 的 自 然 結(jié) 晶 面 110 ， 端 面 反 射 率 ： 32 ， 一 般 將 其 中 的 一 個 面 鍍 全 反 射 膜 。 2 G a A s 、 半 導(dǎo) 體 激 光 器 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 分 布 條 件 只 有 重 摻 雜 材 料 ， 在 外 加 泵 浦 激 勵 下 才 能 形 成 載 流 子 的 反 轉(zhuǎn) 分 布 。 D G a A s p n eV p n 重 摻 雜 的 區(qū) 和 區(qū) 的 費 米 能 級 ， 分 別 進 入

19、價 帶 和 導(dǎo) 帶 。 勢 壘 高 度 為 。 ？ ？ ？ 在 區(qū) ， 電 子 的 填 充 水 平 很 低 ， 有 大 量 空 穴 存 在 。 在 區(qū) ， 電 子 的 填 充 水 平 很 高 ， 有 大 量 電 子 存 在 。 pn V L L pnnp p n p D 施 加 正 向 電 壓 ， 圖 中 長 虛 線 為 費 米 能 級 ， 和 分 別 為 空 穴 和 電 子 的 擴 散 長 度 。 施 加 正 向 電 壓 時 ， 勢 壘 高 度 降 低 ， 區(qū) 空 穴 向 區(qū) 移 動 ， 區(qū) 電 子 向 區(qū) 移 動 。 區(qū) 和 區(qū) 的 費 米 能 級 發(fā) 生 偏 離 ， 區(qū) 能 級 向 下

20、移 動 。 此 時 的 勢 壘 高 度 為 e( V -V ) 。 p- n g hE 在 結(jié) 附 近 ， 導(dǎo) 帶 中 有 電 子 ， 價 帶 中 有 空 穴 。 這 部 分 區(qū) 域 稱 為 有 源 區(qū) 。 有 源 區(qū) 內(nèi) 導(dǎo) 帶 上 的 電 子 向 下 躍 遷 到 價 帶 上 ， 產(chǎn) 生 電 子 空 穴 復(fù) 合 ， 多 余 的 能 量 即 以 光 子 的 形 式 輻 射 出 來 。 由 晶 體 生 長 的 110 面 形 成 平 行 平 面 腔 ， 在 增 益 大 于 損 耗 時 ， 形 成 激 光 輸 出 。 輸 出 光 子 的 能 量 近 似 等 于 禁 帶 寬 度 。 ( , ) :

21、ar r a r c v e h CV dNdN dt dt dN dN dN B N N x dt B 在 半 導(dǎo) 體 內(nèi) ， 導(dǎo) 帶 和 價 帶 之 間 除 了 有 受 激 輻 射 ， 還 有 受 激 吸 收 ， 二 者 同 時 存 在 。 在 激 光 輸 出 時 ， 產(chǎn) 生 受 激 輻 射 的 速 率 必 須 大 于 產(chǎn) 生 受 激 吸 收 速 率 。 為 單 位 時 間 內(nèi) 單 位 體 積 中 因 受 激 輻 射 而 增 加 的 光 子 數(shù) 。 為 單 位 時 間 內(nèi) 單 位 體 積 中 因 受 激 吸 收 而 減 少 的 光 子 數(shù) 。 受 激 輻 射 速 率 受 激 輻 射 愛 因

22、 斯 坦 系 數(shù) 。 ( ) ( ) ( ) 1 ( ) () () () () 1 ( ) ( ) ( ) ( e c c h v v c c v v v r c v c c v N N E f E N N E h f E h N E E f E E N E h E h f E h E h f E h E h dN B N E f E N E h dt 導(dǎo) 帶 上 電 子 數(shù) 為 ： 價 帶 上 空 穴 數(shù) 為 ： 式 中 ： ： 導(dǎo) 帶 中 能 量 為 的 能 級 密 度 。 ： 導(dǎo) 帶 中 電 子 在 能 級 上 的 幾 率 。 ： 價 帶 中 能 量 為 的 能 級 密 度 。 ： 價

23、 帶 中 電 子 在 能 級 上 的 幾 率 。 ： 價 帶 中 空 穴 在 能 級 上 的 幾 率 。 ) 1 ( ) ( , ) v f E h x ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( , ) 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( , ) 0 ( ) ( ) e xp e xp a v c v v c c v c c v v c ar c v c v c v cv F n F p dN B N E h f E h N E dt f E x B B B dNdNdN dt dt dt B N E N E h f E f E h x f E f E h E E E h E kT kT 受

24、 激 吸 收 速 率 ： ： 受 激 吸 收 愛 因 斯 坦 系 數(shù) 。 且 ： 總 的 光 子 數(shù) ： 11 即 ： ( ) ( ) 1 1 , pn F n F p F n F p g g F n F p g E E E h E E E h hE V E E E qV E V q 即 ： ( ) ( ) 即 ： ( ) ( ) 結(jié) 論 ： （ 1 ） 導(dǎo) 帶 能 級 的 電 子 占 有 率 大 于 價 帶 能 級 的 電 子 占 有 率 。 （ 2 ） 光 子 能 量 所 以 ， 電 子 和 空 穴 的 準 費 米 能 級 之 差 必 須 大 于 禁 帶 寬 度 。 所 以 ， 區(qū) 和 區(qū)

25、 必 須 高 摻 雜 。 （ 3 ） 正 向 電 壓 足 夠 大 ， ( ) ( ) ， 即 12 3 1 ln 2 1 () t G r r L dI G dx I c I n c dI d d dN g h n h dN d 內(nèi) 、 閾 值 條 件 增 益 的 定 義 ： 由 關(guān) 系 式 ， 可 得 ， 光 強 增 加 量 為 ： 輻 射 能 量 密 度 的 增 加 量 等 于 光 子 能 量 乘 以 光 子 個 數(shù) ， 這 里 我 們 考 慮 為 頻 率 的 線 型 函 數(shù) 。 () ( ) ( ) ( ) ( ) ( , ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) c v c

26、v c v c v c v cv cc dI d dN g h nn c B N E N E h f E f E h n x g h dt dt I dx B N E N E h dx f E f E h g h 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 0 c v c v cv c v c v cv cv t dI G dx I dt B N E N E h dx f E f E h g h n B N E N E h c f E f E h g h f E f E h G dI GG 在 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 分 布 時 ，

27、， ， ， 光 強 得 到 放 大 。 并 且 當 時 ， 產(chǎn) 生 激 光 。 12 4 11 , 1 1 1 ln 2 Ga A s 3 5 10 A c m t m t m tt t GaAs JJ GJ mm GG J G r r L J 內(nèi) -2 舉 例 ： 激 光 器 泵 浦 方 式 ： 加 正 向 電 流 （ 閾 值 電 流 密 度 ） 產(chǎn) 生 激 光 為 增 益 因 子 。 同 質(zhì) 結(jié) ： ； 異 質(zhì) 結(jié) 。 增 益 達 到 閾 值 時 ， 閾 值 電 流 密 度 （ ） 室 溫 下 ， 同 質(zhì) 結(jié) ， t GG 注 入 電 流 逐 漸 增 大 的 過 程 中 ， 經(jīng) 歷 了 三

28、 種 類 型 的 發(fā) 光 過 程 。 （ 1 ） 電 流 較 小 時 ， 發(fā) 出 的 光 為 熒 光 。 光 強 較 弱 ， 帶 寬 較 寬 ， 以 自 發(fā) 輻 射 為 主 。 （ 2 ） 電 流 增 大 ， G0 ， 受 激 輻 射 起 主 導(dǎo) 作 用 ， 發(fā) 出 的 光 很 強 ， 但 仍 屬 于 熒 光 范 疇 ， 沒 有 建 立 起 一 定 的 模 式 ， 稱 為 超 輻 射 。 （ 3 ） 電 流 繼 續(xù) 增 大 ， 時 ， 產(chǎn) 生 激 光 ， 帶 寬 很 窄 ， 光 強 更 強 。 tt I I I I I 比 較 小 熒 光 超 輻 射 激 光 自 發(fā) 輻 射 為 主 受 激 輻

29、 射 受 激 輻 射 ， 很 小 ， 光 強 很 大無 振 蕩 模 式 G a A s G a A s p n G a A s 三 、 異 質(zhì) 結(jié) 半 導(dǎo) 體 激 光 器 1 、 結(jié) 構(gòu) 特 點 對 于 類 半 導(dǎo) 體 ， 由 同 種 材 料 構(gòu) 成 的 結(jié) ， 稱 為 同 質(zhì) 結(jié) 。 pn G a A s G a A l A s SH 若 結(jié) 一 側(cè) 為 材 料 ， 另 一 側(cè) 為 材 料 ， 稱 為 異 質(zhì) 結(jié) 。 若 半 導(dǎo) 體 激 光 器 只 有 一 個 異 質(zhì) 結(jié) ， 稱 為 單 異 質(zhì) 結(jié) （ ） 激 光 器 。 DH 若 半 導(dǎo) 體 激 光 器 有 兩 個 異 質(zhì) 結(jié) ， 稱 為

30、 雙 異 質(zhì) 結(jié) （ ） 激 光 器 。 2 、 平 衡 時 異 質(zhì) 結(jié) 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) v 1- x x v pn P - P G a A l A s- G a A s 0 0 .4 e V c c 由 禁 帶 寬 度 不 同 的 兩 種 材 料 構(gòu) 成 結(jié) 時 ， 在 界 面 處 導(dǎo) 帶 和 價 帶 都 有 突 變 ， 分 別 以 E 和 E 表 示 。 在 型 異 質(zhì) 結(jié) 中 ， E ， 當 x=0.3 時 ， E 。 Ga A s Ga A s 3 、 的 折 射 率 變 化 （ 1 ） 摻 雜 濃 度 對 材 料 折 射 率 的 影 響 結(jié) 論 ： 摻 雜 濃 度 越 大 ， 折

31、 射 率 越 低 。 1- x x G a A l A s x n n x 5% （ 2 ） 的 折 射 率 隨 的 變 化 n=0.62x x=0 時 ， =3.59(GaAs) x=1 時 ， =2.71(AlAs) 一 般 情 況 ， =0.3 ， n=0.186 0.186 折 射 率 突 變 量 3.59 SH四 、 單 異 質(zhì) 結(jié) （ ） 激 光 器 同 質(zhì) 結(jié) 閾 值 高 的 原 因 ： （ 1 ） 正 向 電 壓 較 高 ， 有 源 區(qū) 較 寬 ， 需 要 很 大 的 閾 值 電 流 。 （ 2 ） 同 質(zhì) 結(jié) 波 導(dǎo) 的 折 射 率 差 值 很 小 ， 0.1 1% ， 邊

32、界 損 耗 大 。 3 1 2 n n ,n x z 在 有 源 區(qū) 內(nèi) ， 電 子 和 空 穴 的 復(fù) 合 使 得 自 由 載 流 子 減 少 ， 載 流 子 濃 度 降 低 ， 折 射 率 高 ， 即 ， 在 入 射 角 較 大 時 ， 產(chǎn) 生 全 反 射 。 方 向 形 成 駐 波 ， 方 向 為 行 波 。 折 射 率 差 越 大 ， 全 反 射 臨 界 角 越 小 。 同 質(zhì) 結(jié) 的 折 射 率 差 很 小 （ 0.1 1% ） ， 所 以 損 耗 比 較 大 。 一 般 只 能 在 脈 沖 條 件 下 工 作 。 2 eV 8000 A c m t （ 1 ） 異 質(zhì) 結(jié) 0.4

33、左 右 的 勢 壘 限 制 電 子 的 擴 散 ， 增 大 了 載 流 子 濃 度 。 （ 2 ） 5% 的 折 射 率 突 變 ， 使 邊 界 損 耗 減 小 。 J 下 降 到 t -2 t -2 t DHL DHL DHL P G a A s d G a A s/ G a A l A s DH L J 77 K J 100 A c m 300 K J 100 100 0 A c m m 五 、 雙 異 質(zhì) 結(jié) 激 光 器 （ ） 1 、 的 能 帶 含 有 兩 個 異 質(zhì) 結(jié) ， 有 源 區(qū) 為 - ， 厚 度 為 0.5 。 特 點 ： （ 1 ） 電 子 和 空 穴 均 受 到 異

34、質(zhì) 結(jié) 勢 壘 的 限 制 ， 載 流 子 的 濃 度 大 大 提 高 ， 反 轉(zhuǎn) 粒 子 數(shù) 越 多 ， 增 益 也 就 越 大 。 （ 2 ） 兩 個 異 質(zhì) 結(jié) 處 有 5% 的 折 射 率 差 ， 邊 界 損 耗 小 。 的 時 ， 時 ， DHL2 、 的 結(jié) 構(gòu) （ 寬 接 觸 型 結(jié) 構(gòu) ） 特 點 ： 工 作 區(qū) 域 寬 ， 有 源 區(qū) 的 截 面 積 大 ， 工 作 時 需 要 的 電 流 大 ， 溫 升 高 ， 不 利 于 室 溫 下 連 續(xù) 工 作 。 DHL m 改 進 ： 質(zhì) 子 轟 擊 條 形 用 直 徑 12 20 的 金 絲 或 鎢 絲 把 外 延 片 沿 腔

35、軸 方 向 掩 蔽 以 來 ， 再 用 300 600 千 電 子 伏 質(zhì) 子 轟 擊 其 余 部 分 ， 使 被 轟 擊 部 分 電 阻 率 增 高 兩 個 數(shù) 量 級 以 上 ， 除 去 掩 蔽 物 ， 裝 上 電 極 就 制 作 成 了 條 形 器 件 。 t W J mA DHL dm 由 于 條 形 器 件 的 工 作 區(qū) 域 寬 度 的 減 小 ， 通 電 截 面 積 減 小 ， 對 應(yīng) 相 同 的 閾 值 電 流 密 度 所 需 的 工 作 電 流 就 大 大 減 小 ， 一 般 遠 在 500 以 下 。 因 此 ， 溫 升 小 。 條 形 器 件 的 優(yōu) 點 ： （ 1 ） 輻 射 光 的 面 積 很 小 ， 與 低 數(shù) 值 孔 徑 的 光 纖 （ 直 徑 小 于 100 ） 易 耦 合 。 （ 2 ） 有 源 區(qū) 很 小 ， 降 低 了 晶 體 缺 陷 的 可 能 性 ， 有 助 于 提 高 器 件 長 期 工 作 的 可 能 性 。