半导体激光器的原理.ppt

半导体激光器 S120600661 任跃功 主要内容 第一章 半导体的基础知识 第二章 半导体激光器的原理 第三章 半导体激光器的发展、运用 第一章 半导体的基础知识 定义：在绝对零度时无任何导电能力，但其导电性随温度升高呈现总体上升趋势，且对光照等外部条件和材料的纯度与结构完整性（是否有缺陷）等内部条件十分敏感的物质。 （1） 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 （2） 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。 （3）缺陷在半导体中往往会改变晶体的共价键环境，改变其导电能力 能带理论：对导体，半导体，绝缘体本质上科学区分的理论 晶体中的电子作共有化运动，所以电子不再属于某一个原子，而是属于整个晶体共有 晶体中原子间相互作用，导致能级分裂，由于原子数目巨大，所以分裂的能级非常密集，认为是准连续的，即形成能带 电子总是先填充低能级，0K时，价带中填满了电子，而导带中没有电子 在绝对零度时，半导体中的能带以一条特征能隙分界，其下的能带全部被电子占满，其上的能带全部空着，这条能隙就是禁带，紧邻其下的满电子因其中的电子全是价电子，称为价带，紧邻其上的空带因为在在非零温度下出现少量与金属中的自由电子相似的、可参与导电的电子，称为导带。这些电子有可能全部或者部分产生于价电子的热激发，但在实际器件的应用中，它们主要来自于外来杂质 满带电子不导电理论 导体、半导体、绝缘体能带理论讨论中，认为只有未被电子填满的能带中的电子才能参与导电，尽管绝对零度时的半导体和绝缘体中都存在为数众多的电子，但因其皆处于满带之中，因此对材料的电导率还没有贡献。 金属良导体在T=oK时，其全部价电子只能填满能带的下半部，上半部空着，上下之间没有能量间隙，电子容易跃迁，易导电。而半导体和绝缘体相似，空带距离能带之间有一定禁带，需要外界作用才能导电，因此不易导电。 本征半导体和掺杂半导体 本征半导体：在热力学温度T=0K和没有外界影响的条件下，半导体的价电子均束缚在共价键中，不存在自由运动的电子。但当温度升高或受到光线照射时，某些共价键中的价电子从外界获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子，同时，在共价键中留下了相同数量的空位，这种现象称为本征激发。其中自由电子和空位称为载流子，半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的物质，把主要依靠本征激发获得载流子的半导体称为本征半导体。 导带电子和价带空穴相等是本征半导体的主要特点 掺杂半导体： 在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，就成为杂质半导体。 按掺入的杂质不同，杂质半导体分为N型和P型两种。若掺入五价元素的杂质(磷、锑或砷等)，则可使晶体中的自由电子浓度大大增加，故将这种杂质半导体称为N型半导体，五价元素称为施主杂质，起施主作用。 若掺入三价元素的杂质(硼、嫁、铜或铝等)，则可使晶体中的空穴浓度大大增加，故将这种半导体称为P型型半导体，三价元素称为受主杂质，起受主作用。 实际半导体几乎是掺杂半导体，其载流子密度靠掺杂浓度的精确调控来控制 半导体pn结原理 独处的n型和p型半导体依靠电离杂质和少数载流子与多数载流子保持电中性，但当这两块半导体紧密结合成pn结时，二者之间载流子密度的悬殊差异引起空穴从P区向n区、电子从n区向p区的扩散。对p区，空穴离开后留下了不可动的带负电的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，从而在pn结附近的p型侧形成一个负的空间电荷。同样，电子的扩散在pn结附近的n型侧形成一个正空间电荷区 导体中只有自由电子一种载流子，它在电场作用下产生定向的漂移运动，形成漂移电流。而半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们除了在浓度差的作用下产生定向的扩散运动，形成相应的扩散电流，还会在电场作用下形成漂移电流。 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平 衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。这个电荷区在激光器中称为有缘区 N型和P型硅本身就是一种导体，但是当它们以如图方式组合在一起的时候却不会传导任何电流。N型硅中的负电子会被吸引到电池的正极，P型硅中带正电的孔则会被吸引到电池的负极，不会有任何电流流过结合部，如果将电池翻转过来，二极管就可以很好地传导电流了。N型硅中的自由电子受电池负极的排斥，P型硅中的孔则受正极的排斥。孔和电子在N型硅和P型硅的结合部相遇，电子会填充在孔中，这些孔和自由电子便会消失，并且会有新的孔和新的自由电子出来接替它们的位置，这就会在结合部形成电流 二极管的基本工作原理就在于利用PN结的单向导电性这一主要特征 半导体激光器 定义：半导体激光器是以一定的半导体材料做为工作物质而产生受激发射作用的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质