半导体物理学第九章（2）.ppt

容易求得相邻纵向模的波长间隔??为 不符合这条件的波逐渐损耗，而满足上式的一系列特定波长的受激辐射在共振腔内形成振荡。 (2)增益和阈值电流密度 在注入电流的作用下，激活区内受激辐射不断增强，称为增益；另一方面，辐射在共振内来回反射时，有能量损耗，主要包括载流子吸收、缺陷散射及端面透射损耗等。用g和?分别表示单位长度内辐射强度的增益和吸收损耗，用I代表辐射强度，则 其中g称为增益系数，?即吸收系数。?与激光材料的掺杂浓度等有关；而增益的大小却取决于注入电流。 当电流较小时，增益很小；电流增大，增益也逐渐增大，直到电流增到增益等于全部损耗时，才开始有激光发射。 增益等于损耗时的注入电流密度称为阈值电流密度Jth，这时的增益为阈值增益gth。 辐射强度随增益和损耗分别按指数规律增长或衰减： 增益情况 损耗情况  容易看出，对于长度为L的腔，初始强度为I0的光在包含两端面各一次反射在内的一次往返中，强度将变为I 式中R1, R2为两个端面的反射系数。则不难证明，达到阈值情况(I0=I)时 可见，?越小，L , R1, R2越大, gth越小，Jth也越小. 对于激光器，阈值电流密度Jth和阈值增益gth是重要参数。要使激光器有效地工作，必须降低阈值，其主要途径是设法减少各种损耗。显然要降低阈值，必须使?小，使反射系数和腔长增大。因此，作为激光材料，必须选择完整性好、掺杂浓度适当的晶体；同时反射面尽可能达到光学平面，并使结面平整，以减少损耗，提高激光发射效率。对广泛使用的GaAs激光器，一般掺杂浓度为1018cm-3，共振长度L约为10-2cm。 激光的光谱分布 图10-36是GaAs激光器在77K时，对应于不同注入电流的光谱分布。低于阈值电流时，辐射主要是自发辐射，谱线相当宽，见图10-36(c)。 随着电流增大，受激辐射逐渐增强，谱线变窄。当接近阈值电流时，谱线出现一系列峰值，见图10-36(b)。 这说明对应于这些峰值的特定波长，发生较集中的受激辐射。这些特定波长就是共振腔内形成的驻波波长，即满足公式2L=m(?/n)。 电流进一步增大，等于或大于阈值电流时，发生共振，出现谱线很窄且辐射强度骤增的谱线，见图10-36(a)。这时激光器发射出强度很大，单色性好(???0.1nm)的相干光，这就是激光。 激光波长?0随温度增大向长波方向移动，是由于禁带宽度Eg随温度增大而减小。77K时，GaAs激光的波长约为840nm，室温时约为900nm。 综上所述，激光的发射，必须满足以下三个基本条件： ①形成分布反转，使受激辐射占优势； ②具有共振腔，以实现相干光； ③至少达到阈值电流密度，使增益至少等于损耗。 在实际应用中，GaAs同质结激光器阈值电流很大，室温时达104-105A/cm2，效率也很低；而且随着温度的上升，阈值电流迅速增大。一般只能用作用时间很短的脉冲电流来产生激光，以减少激光器的发热。 为了降低阈值电流和提高效率，已经制成异质结激光器，如GaAs-GaxAl1-xAs激光器。这种激光器，室温工作时的阈值电流约10?15?103A/cm2。 异质结激光器 单异质结激光器结构中三层半导体材料的禁带宽度、折射率并不相同，如图9-32所示。在热平衡状态及加正向电压情况下的能带如图9-32(d)、(e)所示。 这种激光器的优点是阈值低，效率高。其原因是由于AlGaAs比GaAs具有较宽的禁带宽度和较低的折射率。 一方面在p-GaAs-AlGaAs异质结处出现了较高的势垒，使从n-GaAs注入到p-GaAs中的电子受到阻碍，不能继续扩散到p-AlGaAs中去；和没有这种势垒存在时比较，p-GaAs层内的电子浓度增大，提高了增益。 另一方面，由于AlGaAs的折射率较GaAs的低，因此限制了光子进入到AlGaAs区，使光受反射而局限在p-GaAs区内，从而减少了周围非受激区对光的吸收。 此外，p型AlGaAs对来自p-GaAs的发光吸收系数小，损耗小。 双异质结激光器 在1970年制成了双异质结激光器。这种激光器为四层结构，如图9-33(a)所示。各层的禁带宽度和折射率如图9-33(b)、(c)所示。在热平衡状态和正向电压下的能带图如图9-33(d)、(e)所示。 p-GaAs n-GaAs 在这种双异质结激光器结构中，由AlGaAs-GaAs界面构成了波导的两个壁