半导体激光器原理.ppt
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1、半导体激光器原理与制造,Semiconductor laser diodePrinciple&Fabrication,主要内容,1.半导体物理基础知识2.半导体激光器工作原理3.工作特性及参数4.结构及制造工艺5.面发射激光器,半导体物理基础知识,能带理论直接带隙和间接带隙半导体能带中电子和空穴的分布量子跃迁半导体异质结半导体激光器的材料选择,能带理论:晶体中原子能级分裂,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
2、,而导带中没有电子,导体 绝缘体 半导体,能带中电子和空穴的分布,导带中绝大多数电子分布在导带底。Ef为费米能级,它在能带中的位置直观的标志着电子占据量子态的情况。费米能级位置高,说明有较多能量较高的量子态上有电子。,能带中电子和空穴的分布,N型半导体中的电子和空穴在能级中的分布(热平衡状态),能带中电子和空穴的分布,P型半导体中的电子和空穴在能级中的分布(热平衡状态),量子跃迁,光的自发发射(是半导体发光的基础)光的受激吸收(是半导体探测器工作的基础),量子跃迁,光的受激发射:光子激励导带中的电子与价带中的空穴复合,产生一个所有特征(频率、相位、偏振)完全相同的光子。它是半导体激光器的工作原
3、理基础。,量子跃迁,非辐射跃迁:异质结界面态的复合缺陷复合:有源区都是本征材料俄歇复合:对长波长激光器的量子效率、工作稳定性和可靠性都有不利影响,量子跃迁,特点:,直接带隙和间接带隙半导体,直接带隙半导体跃迁几率高,适合做有源区发光材料(如GaAs,InP,AlGaInAs),间接带隙半导体电子跃迁时:始态和终态的波矢不同,必须有相应的声子参与吸收和发射以保持动量守恒,所以跃迁几率低。,半导体异质结,异质结的作用:异质结对载流子的限制作用异质结对光场的限制作用异质结的高注入比,异质结对光场的限制作用,半导体激光器的材料选择,1-能在所需的波长发光2-晶格常数与衬底匹配,半导体激光器的工作原理,
4、基本条件:1有源区载流子反转分布2谐振腔:使受激辐射多次反馈,形成振荡3满足阈值条件,使增益损耗,有足够的注入电流。,双异质结激光器,分别限制异质结单量子阱激光器,横模(两个方向),半导体激光器通常是单横模(基模)工作。当高温工作,或电流加大到一定程度,会激发高阶模,导致P-I曲线出现扭折(Kink),增加了躁声。垂直横模侧横模垂直横模:由异质结各层的厚度和各层之间的折射率差决定。,横模(侧横模),1.强折射率导引的掩埋异质结激光器(BH-LD),折射率导引激光器(Index guide LD),横模(侧横模),2.弱折射率导引激光器:脊波导型激光器(RWG-LD),折射率导引激光器(Inde
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- 半导体激光器 原理
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