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以半导体材料为工作物质的激 光器称为半导体激光器。其特点 为超小型、高效率(已达10%以上 、最大可达50%) 、低成本、工作 速度快、能将电能直接转换为激 光能、波长范围宽和便于直接调 制等优点。在光纤通信、光存储 、激光高速印刷、全息照相、激 光准直、测距等方面广泛应用。
产生激光的三个条件?
（C）
运动达到热平衡时， P区和N区的费米能级必然达到同
一水平。 2020/5/16
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导带 Ec
P+ 价带 Ev
Efn费米能级
N+
Ec 导带
Ev价带
费米能级Efp
（A）
导带 Ecp P+
价带 Evp
费米能级
N+ Efp=Efn=Ef
eVD Ef费米能级
Ecn导带
（B）
Evn价带
导带EE(VcpD（-V)a）P重+ 掺杂P型、N型半导体能EEcfnn导 带费；带 米；能（级 b）热平衡时PN结的能带弯曲
当外来光子的能量与上能带中电子和下能带中空穴之 间的能量差相同时，会诱导导带中电子向价带中空穴跃迁 而发出一个同样的光子（全同光子），即产生受激辐射.
入射光频率满足的条件： EF EF hν Eg
二、PN结的双简并能带结构
在热平衡系统中(图a-e )中的情况都只有一个费米
能级不能产生光放大。 将P型和N型半导体（重掺杂型）制作在一起，才
当给P-N结加以正向电压V时，原来的自建场将被削弱， 势垒降低，破坏了原来平衡，引起多数载流子流入对方， 使得两边少数载流子比平衡时增加了，这些增加的少数载 流子称为“非平衡载流子”，这种现象叫做“载流子注入 ”。
此时结区的统一费米能级不复存在，形成结区的两个费米 能级EF+和EF-，称为准费米能级。它们分别描述空穴和电子
(a)-(e)所示的五种情况，半导体中只有一个 费米能级，在它之上没有电子，在它之下已充满 了电子，因此不会发生电子向没有被电子占据的 空态跃迁，而只会吸收外来光子向空态跃迁，因 而不可能产生受激辐射。
⑤双简并半导体——半导体中存在两个费米能级 ( 图f ); 两个费米能级使得导带中有自由电子，价带中 有空穴（存在空态）。
的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能
二、 粒子数反转
粒子数反转：产生受激辐射的条件是在结区的导带底部 和价带顶部形成粒子数反转分布。
粒子数就是载流子数。正常情况下，电子总是从低能态的 价带填充起，填满价带后才填充导带。如果我们能利用电注 入的办法，便在P-N附近够成大量的非平衡载流子，在此其 复合寿命更短．
eVD Ef费米能级
Ecn导带
（B）
Evn价带
（未a）加重电掺场杂导P带时E型E(Vcp，、D-VN)由型P于+半Eg导电体子能和h带n ；空（穴b）的热扩平散EE衡cfnn导 费时作带 米P能用N级结，的在能P带-弯N曲结；的 交界面两侧形价带成Evp空间电荷区，hn生hn 产N自+ 建eV电场，其电场方向自 N区指向P区费。米能自级E建fp 电场引起漂移运动，Ev当n 价带扩散运动和漂移
复合发光，是自发辐射发光，产生荧光。 LED的颜色与材料的哪种性质有关？
材料的禁带宽度，即材料的类型
LED发光强度的角分布与什么有关？ 封装的工艺
LED的P-I曲线特点？ 较好的线性关系
半导体激光器（LD）
世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几十 年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长 从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参 数也有了很大的提高；其寿命由几百到几万小时，乃至百 万小时；输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)。
上述五幅能带结 构中是否形成粒 子数反转分布？
④在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低 于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是 空的，导带中也有自由电子——N型简并半导体 (图e); ③在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低 于费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是 空的，价带中出现空穴——P型简并半导体 (图c);
光电子技术原理 及应用
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本章介绍
§3-3 热辐射光源 §3-4 气体放电光源 §3-5 电致发光光源 §3-6 激光 §3-7 半导体光源 §3-8 同步辐射光源
发光二极管 半导体激光器
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发光二极管的构成材料？ 直接带隙的半导体材料组成PN结。
发光原理？ 外加电场实现粒子数反转分布，大量电子与空穴的
电子或空穴
Байду номын сангаас
一、杂质半导体中费米能级的位置
杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓 度有密切关系。图中给出了温度极低时的情况。
①在未掺杂质的本征型半导体中,费米能级居于禁带中 央 (图a)。
②在轻掺杂P型半导体中，受主能级使费米能级向下移 动(图b)；而在轻掺杂N型半导体中，施主能级使费米能 级向上移动(图d);
能在结区产生两个费米能级，产生粒子数反转分布。
二、PN结的双简并能带结 构
如果我们设法使一块完整的半导体一边是N型，而
另一边是P型，则在接合处形成P-N结。
导带 Ec
P+ 价带 Ev
Efn费米能级
N+
Ec 导带
Ev价带
费米能级Efp
导带 Ecp P+
价带 Evp
费米能级
（A）
N+ Efp=Efn=Ef
1、工作物质: 有适当能级结构，可实现粒子数反转。 2、激励能源: 将大量粒子激励到激光上能级。
3、光学谐振腔: 光学正反馈，控制光束传播方向，
选模（提高单色性）。
要使半导体材料中电子能态发生变化，以形成 一定的粒子数反转，并且要有一个合适的光学谐振 腔。但由于半导体材料中电子运动的特殊性，半导 体激光器又有着许多不同于气体和固体激光器的特 性。要深入了解半导体激光器的特性和原理，必须 先了解有关半导体材料的一些理论基础。
价带 EvpP区和EgN区的hnhn费米能级eV 必然达到同一水平。P区出
费现米能P级型Efp 简并区（价hn带N顶+ 充满Evn价空带 穴），N区出现N型简并
区（导带底（充C）满电子），造成结区产生了能带的弯曲
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自建场的作用，形成了接触电位差VD叫做P-N 结的势 垒高度。P区所有能级上的电子都有了附加位能，它等于 势垒高度VD乘以电子电荷e (eVD)