激光二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理及其與LED的區(qū)別

時(shí)間：2024-12-22 20:26:26

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[導(dǎo)讀]激光二極管包括單異質(zhì)結(jié)(SH)、雙異質(zhì)結(jié)(DH)和量子阱(QW)激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)，是市場應(yīng)用的主流產(chǎn)品。

激光二極管包括單異質(zhì)結(jié)(SH)、雙異質(zhì)結(jié)(DH)和量子阱(QW)激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)，是市場應(yīng)用的主流產(chǎn)品。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，但其輸出功率小(一般小于2mW)，線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收機(jī)的回傳模塊中，上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。

一是處于高能態(tài)的粒子自發(fā)向低能態(tài)躍遷，稱之為自發(fā)輻射;二是處于高能態(tài)的粒子在外來光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，稱之為受激輻射;三是處于低能態(tài)的粒子吸收外來光的能量向高能態(tài)躍遷稱之為受激吸收。

即使是兩個(gè)同時(shí)從某一高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的粒子，它們發(fā)出光的相位、偏振狀態(tài)、發(fā)射方向也可能不同，但受激輻射就不同，當(dāng)位于高能態(tài)的粒子在外來光子的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，發(fā)出在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面與外來光子完全相同的光。在激光器中，發(fā)生的輻射就是受激輻射，它發(fā)出的激光在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面完全一樣。任何的受激發(fā)光系統(tǒng)，即有受激輻射，也有受激吸收，只有受激輻射占優(yōu)勢，才能把外來光放大而發(fā)出激光。而一般光源中都是受激吸收占優(yōu)勢，只有粒子的平衡態(tài)被打破，使高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)(這樣情況稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn))，才能發(fā)出激光。

產(chǎn)生激光的三個(gè)條件是：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件。產(chǎn)生光的受激發(fā)射的首要條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在半導(dǎo)體中就是要把價(jià)帶內(nèi)的電子抽運(yùn)到導(dǎo)帶。為了獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通常采用重?fù)诫s的P型和N型材料構(gòu)成PN結(jié)，這樣，在外加電壓作用下，在結(jié)區(qū)附近就出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)—在高費(fèi)米能級EFC以下導(dǎo)帶中貯存著電子，而在低費(fèi)米能級EFV以上的價(jià)帶中貯存著空穴。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件，但不是充分條件。要產(chǎn)生激光，還要有損耗極小的諧振腔，諧振腔的主要部分是兩個(gè)互相平行的反射鏡，激活物質(zhì)所發(fā)出的受激輻射光在兩個(gè)反射鏡之間來回反射，不斷引起新的受激輻射，使其不斷被放大。只有受激輻射放大的增益大于激光器內(nèi)的各種損耗，即滿足一定的閾值條件：P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1(P1、P2是兩個(gè)反射鏡的反射率，G是激活介質(zhì)的增益系數(shù)，A是介質(zhì)的損耗系數(shù)，exp為常數(shù))，才能輸出穩(wěn)定的激光，另一方面，激光在諧振腔內(nèi)來回反射，只有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。時(shí)，才能在輸出端產(chǎn)生加強(qiáng)干涉，輸出穩(wěn)定激光。設(shè)諧振腔的長度為L，激活介質(zhì)的折射率為N，則Δф=(2π/λ)2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，上式可化為f=qc/2NL該式稱為諧振條件，它表明諧振腔長度L和折射率N確定以后，只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩(wěn)定的激光。這說明諧振腔對輸出的激光有一定的選頻作用。

一、激光二極管的原理

激光二極管基于受激輻射發(fā)光，能發(fā)射出直徑微小、高度定向和相干性強(qiáng)的光束。1962年，科學(xué)家Robert N. Hall和Nick Holonyak Jr.成功發(fā)明了激光二極管。得益于在活性區(qū)的電流“注入”，這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)了“激光”條件，并成功輻射出光子。激光二極管符號表示中有別于普通PN結(jié)二極管的地方在于它包含了一個(gè)未摻雜的本征活性區(qū)域。

二、激光二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

激光二極管的工作原理依賴其內(nèi)部的PIN結(jié)構(gòu)——兩端分別是P型與N型半導(dǎo)體，中間是未摻雜的本征半導(dǎo)體。當(dāng)正向偏壓時(shí)，電子和空穴被注入活性區(qū)，電子從導(dǎo)電帶跳至價(jià)帶與空穴復(fù)合，釋放出光子。

這個(gè)過程涉及三種輻射機(jī)制：吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。自發(fā)發(fā)射是自然復(fù)合產(chǎn)生的發(fā)光，而受激發(fā)射則是電子在光子作用下從更高能級躍遷至更低能級時(shí)產(chǎn)生的，每個(gè)入射光子能誘導(dǎo)出兩個(gè)同相位、同波長的光子。

三、激光二極管的應(yīng)用

激光二極管廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域。在光電場景如激光打印、光盤讀寫、光纖通信以及自動化傳感器中起著不可或缺的作用。此外，它們在電力器件控制(如IGBT與MOSFET的驅(qū)動電路)、EDS及無掩膜光刻等半導(dǎo)體制造技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵性能。

四、優(yōu)勢與不足

激光二極管提供了810至1064納米波長范圍的豐富選擇，同時(shí)具備快速響應(yīng)、高量子效率等多項(xiàng)優(yōu)勢。盡管激光二極管存在對溫度和光反饋敏感、高增益電流下帶隙收縮以及與LED相比成本較高等局限，但其整體性能令其在高精度應(yīng)用中顯著優(yōu)于LED。