第八讲 半导体激光器（一）.ppt

第八讲半导体激光器(一)
主要内容
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的基本结构
半导体激光器工作原理
半导体激光器是向半导体PN结注入电流,实现粒子数反转分布,产生受激辐射,并利用光学谐振腔的正反馈实现光放大而产生激光。
半导体激光器工作原理
光与物质相互作用的三种基本方式
粒子数反转分布
激光振荡和光学谐振腔
光与物质相互作用的三种基本方式
自发辐射——无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级,同时释放出光子。
受激辐射——高能级电子受到外来光作用,被迫跃迁到低能级,同时释放出光子,且产生的新光子与外来激励光子同频同方向,为相干光。
受激吸收——低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。
E2
E1
E2
E1
hf12
hf12
hf12
hf12
初态
终态
(b)自发辐射
(c)受激辐射
(a)受激吸收
能级与电子跃迁示意图
粒子数反转分布
设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为N1和N2物质在正常状态下N1>N2,受激吸收与受激辐射的速率分别比例于N1和N2且比例系数相等,此时光通过该物质时,光强会衰减,物质为吸收物质。若N2>N1,受激吸收小于受激辐射,光通过该物质时,光强会放大,该物质成为激活物质。N2>N1的分布与正常状态相反,故称为粒子数反转分布。
半导体的能带和电子分布
能量
价带
价带
Eg
Ef
Ef/2
Ef/2
Eg
Ef
Ee
Ev
Ev
Ee
Eg
Ef
Ee
Ev
(a)本征半导体
(b)N型半导体
(c)P型半导体
空穴
电子
能带——电子所处的能态扩展成的连续分布的能级。
价带——能量低的能带。
导带——能量高的能带。
禁带Eg——导带底的能量Ee 和价带顶能量Ev间的能量差
在热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布
费米能级——用于描述半导体中各能级被电子占据的状态,在费米能级,被电子占据和空穴占据的概率相同。在本征半导体中,
位于禁带中央;N型半导体中增大;在P型半导体中减小。
PN结的能带和电子分布
PN
结空间电场区
P区
N区
+ + + + + +
Ef
能量
EeP
EVP
EeN
EVN
P区
N区
EVP
EeP
EeN
EVN
EfN
EfP
hf
hf