典型激光器简介.ppt

(2) Ⅱ—Ⅵ价化合物 典型的如ZnSe，低温工作可得到0.46～0.53?m的辐射，室温输出0.50～0.51?m。 GaN可望得到蓝光和紫外半导体激光器。 在长波段，以GaSb和GaInAsSb/AlGaAsSb为工作物质的激光器可在30℃下连续工作输出2.2?m的辐射。而基于价带内不同能量位置的跃迁，可望获得50～250?m连续可调的输出。 * 二、态密度和电子的激发 被空穴占据几率 电子自旋角动量为h/2，属于Fermon，遵循Fermi-Dirac统计 能量为E的态被电子占据的几率为 * T=0K时，本征半导体中的电子全部集中在价带，导带中几乎没有电子 * T>0K时，即使达到300K，kT也只有10-2eV的两级，而半导体的带隙一般是eV两级，所以一般仍有 根据Fermi-Dirac统计，可知导带中的载流子占据几率为 价带中的载流子占据几率为 * 导带中只有很少量电子，且服从Boltzman分布定律,集中在相对靠近EF 的导带底部。 价带基本被电子占满，只有少量空穴，且按照Boltzman分布律集中在相对靠近EF 的价带顶部。 * 在平衡状态下，本征半导体材料中的电子基本处于价带，导带中只有很少电子，且主要集中在导带底部。 当材料受到某种激发时，价带中的部分电子跃迁到导带，并在价带中形成与激发电子等量的空穴。 导带中的电子可以自发地，或受激地向下跃迁回到价带，与那里的空穴复合，导致复合发光。 半导体材料中的导带和价带分别相应于二能级原子系统中的激光上、下能级。 电子的激发和复合 * 三、非本征半导体材料———pn结 半导体知识 本征半导体是指纯净的半导体 本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。其导电性是由于自由电子从价带跃迁到导带上， 形成自由电子及空穴造成的 掺杂杂质原子比材料原子多一个或少一个电子，则在能带结构中，通常使带隙中接近带边处产生附加能级。 * 两个重要概念 施主：在掺杂原子比材料原子多一个电子的情况下，附加能级接近导带，杂质能级上的电子室温下很容易进入导带，使导带中产生大量过剩电子，这种材料称为n型材料，而杂质称为施主; 受主：若掺杂原子比材料原子少一个电子，则附加能级接近价带，其上的空穴很容易进入价带，使价带中出现大量过剩空穴，这种材料称为p型材料，而杂质称为受主。 掺杂的净效果是在导带和价带中形成过剩的自由载流子。 p型材料和n型材料接触时形成pn结(pn junction) * 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系 * n型材料导带中有过剩电子，相当于EF上移 p型材料价带中有过剩空穴，相当于EF下移 p、n区域有各自的Femi能级 1、当两种材料未接触时 * 同质结：两种材料实际为同一种基质中分别掺以施主或受主杂质，则形成的pn结称为同质结 异质结：如果两种材料的基质不同，则得到异质结 过剩电子和空穴分别由n区和p区向对方扩散，在结区边缘建立空间电荷，两区的EF逐渐接近，直到平衡时两者相等。 空间电荷形成电压V0，从n型区指向p型区，相当一个高势垒，阻止扩散继续进行 在没有外电场的情况下，上述过程很快结束，扩散电流停止 2、当两种材料接触时 * 3、加正向偏压 正极接p型材料，则能量势垒明显降低，电流得以维持 大量多数载流子向相邻区域运动，即n型材料中的电子流入p型区，使p型区中的电子增加；p型区中的空穴流入n型区，使那里的空穴增加。 电子在向p区扩散过程中逐渐减少，而这种减少正是与那里的空穴发生复合较好的结果，即在这个过程中辐射光子数增加。因而称这一区域为有源区，其厚度与载流子的扩散长度具有相同数量级，对早期同质结半导体激光材料，大致在2～4?m范围。 * * 5.3 激光振荡条件 一、半导体中的光增益 半导体材料的导带和价带相应于二能级原子系统的上、下激光能级。 适当波长的光与材料发生作用时，也有受激吸收和受激发射两种过程同时发生。 受激吸收：价带电子吸收光子能量跃迁到导带，并在价带留下一个空穴 受激发射：在入射光子诱导下，导带电子跃迁到价带，与价带的空穴复合，并辐射一个与入射光子全同的光子 * 增益 受激辐射增益：受激发射过程对入射光的增益G1 为正，且与导带被电子占据的几率及价带被空穴占据的几率成正比，即有：G1=a0hnPcePvh a0：导带能级全部被电子占据(Pce=1)，价带能级全部被空穴占据(Pvh=1)时的增益 受激吸收增益：而受激吸收过程对入射光的增益G2则为负(衰减)，且与导带被空穴占据的几率及价带被电子占据的几率成正比，即，即有：G2=-a0hnPchPve * 占据几率有如下关系 可得受激发射和受激吸收对光作用的总效果为 有净增益的条件为：Pce>Pve，即导带能级被电子占据的几率大于价带能级被电子占据的几率 本征半导体平衡状态下电子几乎全部处于价带