半导体激光器原理知乎半导体激光器原理( 二 ) _半导体激光器

为了使pn结产生激光，需要在结构中形成粒子反转分布态，使用重掺杂的半导体材料，并且要求注入pn结的电流足够大(例如30000 A/cm2) 。这样，在pn结的局域区域，导带中的电子数大于价带中的空空空穴数，从而产生受激复合辐射，发射激光。
2.半导体激光器结构。它的形状和大小与小功率半导体三极管相似，只是外壳上有一个激光输出窗口。夹在结区之间的P区和N区是分层的，结区厚度几十微米，面积小于1mm2 。
半导体激光器的光学谐振腔由垂直于pn结面的自然解理面(110面)组成，其反射率为35，足以引起激光振荡。如果需要增加反射率，可以在晶体表面镀一层二氧化硅和一层金属银膜，反射率可以达到95%以上。
一旦正向偏压被施加到半导体激光器，在结区中发生粒子数反转，并且发生复合。
简述了半导体激光器的组成及各部分的功能。
半导体激光器是使用半导体材料作为工作材料的激光器。由于材料结构的差异，不同类型激光器的具体工艺比较特殊。常用的工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激发方式有三种:电注入、电子束激发和光泵浦。半导体激光器可分为同质结、单异质结和双异质结。同质结激光器和单异质结激光器在室温下多为脉冲器件，而双异质结激光器可以在室温下连续工作。
半导体激光器是以某种半导体材料为工作物质产生激光的装置。其工作原理是通过一定的激发方式，实现半导体物质的能带(导带和价带)之间或半导体物质的能带与杂质(受主或施主)的能级之间不平衡载流子的布居反转。当大量处于粒子数反转状态的电子与空空空穴复合时，就会发生受激发射。半导体激光器的激发方式主要有三种，即电注入、光泵浦和高能电子束激发。电注入半导体激光器一般是由砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体结二极管，由正向偏置注入电流激发，在结平面区产生受激发射。光泵半导体激光器一般采用n型或p型半导体单晶(如GaAS、InAs、InSb等。)作为工作物质，其他激光器发出的激光被激发为光泵。高能电子束激发的半导体激光器一般采用N型或P型半导体单晶(如PbS、CdS、ZhO等。).)作为工作物质并通过从外部注入高能电子束来激发。在半导体激光器中，双异质结构电注入GaAs二极管激光器具有更好的性能和更广泛的应用。
半导体激光器的核心发光部分是激光二极管，是由P型和N型半导体组成的pn结管芯。注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，会发出可见光、紫外光或近红外光。然而，pn结区发射的光子是无方向性的，即它们在所有方向上发射的概率是相同的。所以芯片产生的光并不是都能释放出来，这主要取决于半导体材料的质量、芯片的结构和几何形状、内部结构和封装材料。这种应用要求提高半导体激光器的内部和外部量子效率。常规的5mm半导体激光器封装是在引线框架上键合或烧结一个边长为0.25mm的方形管芯。管芯的阳极通过球形触点与金线键合，使内引线连接到一个引脚，阴极通过反射杯连接到引线框架的另一个引脚，然后用环氧树脂封装管芯顶部。反光杯的作用是收集管芯侧面和界面发出的光，并将其发射到所需的方向角。顶部封装的环氧树脂做成一定的形状，有几个作用:保护管芯不受外界侵蚀；使用不同形状和材料特性(有或没有分散剂)作为透镜或扩散透镜来控制光的发散角；模具的折射率与空气体的折射率关系过于密切，以至于模具内部的全反射临界角非常小。有源层产生的光只有一小部分被取出，大部分容易被管芯内部的多次反射吸收，容易造成过多的光损失。使用具有相应折射率的环氧树脂作为过渡，以提高管芯的发光效率。用于形成封装的环氧树脂必须具有防潮性、绝缘性、机械强度以及对管芯发出的光的高折射率和透射率。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逃逸效率的影响不同，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出模式、封装透镜的材料和形状有关。如果使用尖头树脂透镜，光线可以集中在半导体激光器的轴向，对应的视角较小；如果顶部树脂镜片为圆形或平面，其对应的可视角度会增大。

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