LSBCM

半導體雷射器（LSBCM）是用半導體材料作為工作物質的一類雷射器，由於物質結構上的差異，產生雷射的具體過程比較特殊。常用材料有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導體雷射器件，可分為同質結、單異質結、雙異質結等幾種。同質結雷射器和單異質結雷射器室溫時多為脈衝器件，而雙異質結雷射器室溫時可實現連續工作。半導體雷射器具有體積小、效率高等優點，廣泛套用於雷射通信、印刷製版、光信息處理等方面。

工作原理

現以砷化鎵（GaAs）雷射器為例，介紹注入式同質結雷射器的工作原理。
1．注入式同質結雷射器的振盪原理。由於半導體材料本身具有特殊晶體結構和電子結構，故形成雷射的機理有其特殊性。
（1）半導體的能帶結構。半導體材料多是晶體結構。當大量原子規則而緊密地結合成晶體時，晶體中那些價電子都處在晶體能
帶上。價電子所處的能帶稱價帶（對應較低能量）。與價帶最近的高能帶稱導帶，能帶之間的空域稱為禁帶。當加外電場時，價帶中
電子躍遷到導帶中去，在導帶中可以自由運動而起導電作用。同時，價帶中失掉一個電子，則相當於出現一個帶正電的空穴，這種空
穴在外電場的作用下，也能起導電作用。因此，價帶中空穴和導帶中的電子都有導電作用，統稱為載流子。
（2）摻雜半導體與p-n結。沒有雜質的純淨半導體，稱為本徵半導體。如果在本徵半導體中摻入雜質原子，則在導帶之下和價帶

有施主能級的半導體稱為n型半導體；有受主能級的半導體稱這p型半導體。在常溫下，熱能使n型半導體的大部分施主原子被離
化，其中電子被激發到導帶上，成為自由電子。而p型半導體的大部分受主原子則俘獲了價帶中的電子，在價帶中形成空穴。因此，n
型半導體主要由導帶中的電子導電；p型半導體主要由價帶中的空穴導電。
半導體雷射器中所用半導體材料，摻雜濃度較大，n型雜質原子數一般為（2－5）×1018cm-1；p型為（1－3）×1019cm-1。在一塊半導體材料中，從p型區到n型區突然變化的區域稱為p-n結。其交界面處將形成一空間電荷區。n型半導體帶中電子要向p
區擴散，而p型半導體價帶中的空穴要向n區擴散。這樣一來，結構附近的n型區由於是施主而帶正電，結區附近的p型區由於是受主而
帶負電。在交界面處形成一個由n區指向p區的電場，稱為自建電場。此電場會阻止電子和空穴的繼續擴散（見圖19－25）。

（3）p-n結電注入激發機理。若在形成了p-n結的半導體材料上加上正向偏壓，p區接正極，n區接負極。顯然，正向電壓的電場
與p-n結的自建電場方向相反，它削弱了自建電場對晶體中電子擴散運動的阻礙作用，使n區中的自由電子在正向電壓的作用下，又源
源不斷地通過p-n結向p區擴散，在結區內同時存在著大量導帶中的電子和價帶中的空穴時，它們將在注入區產生複合，當導帶中的電
子躍遷到價帶時，多餘的能量就以光的形式發射出來。這就是半導體場致發光的機理，這種自發複合的發光稱為自發輻射。
要使p-n結產生雷射，必須在結構內形成粒子反轉分布狀態，需使用重摻雜的半導體材料，要求注入p-n結的電流足夠大（如
30000A/cm2）。這樣在p-n結的局部區域內，就能形成導帶中的電子多於價帶中空穴數的反轉分布狀態，從而產生受激複合輻射而發
出雷射。
2．半導體雷射器結構。如釁19－26為結構圖，其外形及大小與小功率半導體三極體差不多，僅在外殼上多一個雷射輸出視窗。
夾著結區的p區與n區做成層狀，結區厚為幾十微米，面積約小於1mm2。半導體雷射器的光學諧振腔是利用與p-n結平面相垂直的自然解理面（110面）構成，它有35的反射率，已足以引起雷射振盪。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化矽，再鍍一層金屬銀膜，可獲得95％以上的反射率。

工作特性

1．閾值電流。當注入p-n結的電流較低時，只有自發輻射產生，隨電流值的增大增益也增大，達閾值電流時，p-n結產生雷射。
影響閾值的幾個因素：
（1）晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。
（2）諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。
（3）與半導體材料結型有關，異質結閾值電流比同質結低得多。目前，室溫下同質結的閾值電流大於30000A/cm2；單異質結約
為8000A/cm2；雙異質結約為1600A/cm2。現在已用雙異質結製成在室溫下能連續輸出幾十毫瓦的半導體雷射器。
（4）溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導體雷射器最好在低溫和室溫下工作。
2．方向性。由於半導體雷射器的諧振腔短小，雷射方向性較差，在結的垂直平面內，發散角最大，可達20°-30°；在結的水平
面內約為10°左右（見圖19－27）。