激光二極管的結(jié)構(gòu)及其工作原理是什么?

激光二極管的結(jié)構(gòu)圖和符號(hào)如圖1所示。

激光二極管的物理結(jié)構(gòu)是在發(fā)光二極管的結(jié)間安置一層具有光活性的半導(dǎo)體，其端面經(jīng)過(guò)拋光后具有部分反射功能，因而形成一光諧振腔。在正向偏置的情況下，LED結(jié)發(fā)射出光來(lái)并與光諧振腔相互作用，從而進(jìn)一步激勵(lì)從結(jié)上發(fā)射出單波長(zhǎng)的光，這種光的物理性質(zhì)與材料有關(guān)。

半導(dǎo)體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。圖1(b)是激光二極管的代表符號(hào)。激光二極管在計(jì)算機(jī)上的光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，激光打印機(jī)中的打印頭等小功率光電設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

激光二極管的簡(jiǎn)單原理

半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié)加有正向電壓時(shí)，會(huì)削弱PN結(jié)勢(shì)壘，迫使電子從N區(qū)經(jīng)PN結(jié)注入P區(qū)，空穴從P區(qū)經(jīng)過(guò)PN結(jié)注入N區(qū)，這些注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會(huì)發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長(zhǎng)為λ的光子，其公式如下：

λ=hc/Eg (1)

式中：h—普朗克常數(shù)；c—光速；Eg—半導(dǎo)體的禁帶寬度。

上述由于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱(chēng)為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，一旦經(jīng)過(guò)已發(fā)射的電子—空穴對(duì)附近，就能激勵(lì)二者復(fù)合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱(chēng)為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說(shuō)對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光——激光，這就是激光二極管的簡(jiǎn)單原理。

隨著技術(shù)和工藝的發(fā)展，目前實(shí)際使用的半導(dǎo)體激光二極管具有復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。圖2為日本三洋公司的紅光半導(dǎo)體激光二極管的結(jié)構(gòu)。圖3為小功率激光管剖視圖，由圖可見(jiàn)，激光芯片貼在用來(lái)散熱的熱沉上，在管座上靠近激光芯片下部封有PIN光電二極管。圖4為普通激光二極管的外形，由圖可見(jiàn)，小功率激光管有三條引腳，這是因?yàn)樵诠軆?nèi)還封裝有一個(gè)光電二極管，用于監(jiān)控激光管工作電流。