§10.5半導(dǎo)體發(fā)光一、輻射復(fù)合半導(dǎo)體中電子從高能量狀態(tài)向較低能量狀態(tài)躍遷并伴隨發(fā)射光子的過程。主要有兩種：1、本征輻射復(fù)合（帶-帶復(fù)合）導(dǎo)帶電子躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合的過程稱為本征躍遷，本征躍遷伴隨發(fā)射光子的過程稱為本征輻射復(fù)合。對于直接禁帶半導(dǎo)體，本征躍遷為直接輻射復(fù)合，全過程只涉及一個(gè)電子-空穴對和一個(gè)光子，輻射效率較高。II-VI族和具有直接禁帶的部分HI-V族化合物的主要發(fā)光過程屬于這種類型。對于間接禁帶半導(dǎo)體，本征躍遷必須借助聲子，因而是間接復(fù)合。其中包含不發(fā)射光子的多聲子無輻射復(fù)合過程和同時(shí)發(fā)射光子和聲子的間接輻射復(fù)合過程。因此，間接禁帶半導(dǎo)體中發(fā)生本征輻射復(fù)合的幾率較小，輻射效率低。 Ge、Si、SiC和具有間接禁帶的部分Hl-v族化合物的本征復(fù)合發(fā)光屬于這種類型，發(fā)光比較微弱。因?yàn)閹?nèi)高能狀態(tài)是非穩(wěn)狀態(tài)，載流子即便受激進(jìn)入這些狀態(tài)也會很快通過“熱化”過程加入導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂。顯然，帶間躍遷所發(fā)射的光子能量與 Eg有關(guān)。對直接躍遷，發(fā)射光子的能量滿足h'二Eg對間接躍遷，在發(fā)射光子的同時(shí)，還要發(fā)射聲子，因而光子能量應(yīng)滿足h'1Eg-Ep其中Ep是聲子能量。2、 非本征輻射復(fù)合TOC\o"1-5"\h\z涉及雜質(zhì)能級的輻射復(fù)合稱為非本征輻射復(fù)合。 在這種過程中， : '電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級，或從雜質(zhì)能級躍遷到價(jià)帶，或僅僅在雜質(zhì)能級之間躍遷。由于這種躍遷不受選擇定則的限制，發(fā)生的幾率也很高，是間接禁帶半導(dǎo)體， ■— 特別是寬禁帶發(fā)光材料中的主要輻射復(fù)合機(jī)構(gòu)。 ' ■圖10-22施主與受主間的F面著重討論電子在施主與受主雜質(zhì)之間的躍遷，如圖 10-22所示。當(dāng)半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)，兩者之間的庫侖作用力使受激態(tài)能量增大，其增量厶距離r成反E與施主和受主雜質(zhì)之間比。當(dāng)電子從施主向受主躍遷時(shí)，若沒有聲子參與，發(fā)射光子能量為h—Eg-（EdEa）q/（4二；rM）式中Ed和Ea分別代表施主和受主的束縛能， r是發(fā)光材料的相對介電常數(shù)。由于施主和受主一般以替位原子出現(xiàn)在晶格中，因此 r只能取原子間距的整數(shù)倍，相應(yīng)的光子能量為不連續(xù)數(shù)值，對應(yīng)于一系列不連續(xù)的發(fā)射譜線。但這只在 r較小，即電子在相鄰的施主和受主間躍遷時(shí)才可區(qū)分；隨著r的增大，發(fā)射光子的能量差別越來越小，而且電子從施主向受主躍遷所要穿過的距離也越來越大， 躍遷幾率很小。因此雜質(zhì)發(fā)光主要發(fā)生在相鄰施-受主之間。3、 GaP中的非本征輻射復(fù)合機(jī)構(gòu)GaP的室溫禁帶寬度Eg二2.26eV，但其本征輻射躍遷效率很低，主要依靠非本征發(fā)光中心。圖10-23表示GaP中幾種可能的輻射復(fù)合機(jī)構(gòu)。1）GaP中的施受主對發(fā)光中心（Zn（或Cd）—O對發(fā)光中心）摻0和Zn的GaP材料，經(jīng)過適當(dāng)熱處理后，摻0和Zn的GaP材料，經(jīng)過適當(dāng)熱處理后，0和Zn分別取代相鄰的P原子和Ga原子，其中0形成一個(gè)深施主能級（導(dǎo)帶下0?89eV處），Zn形成一個(gè)淺受主能級（價(jià)帶以上0.06eV處）。當(dāng)這兩個(gè)雜質(zhì)原子在p型GaP中處于相鄰格點(diǎn)時(shí)，形成一個(gè)電中性的Zn-0絡(luò)合物，起等電子陷阱作用，束縛能為0.3eV。與之相關(guān)的復(fù)合過程有 3種：Eg=2.26eV■ET,Zn-O|-E「Zn-O+ED,OPET,N*ED,Te；I-Ea，ZJEh,o」■EA'Zn' Eh,N EA，Zn圖10-23GaP禁帶中的雜質(zhì)對輻射復(fù)合機(jī)構(gòu)Zn-O絡(luò)合物俘獲一個(gè)電子?鄰近的Zn中心俘獲一個(gè)空穴形成一種激子狀態(tài)。激子的淬滅（即雜質(zhì)俘獲的電子與空穴相復(fù)合），約發(fā)射660nm左右的紅光。這一輻射復(fù)合過程的效率較高;Zn-O絡(luò)合物俘獲一個(gè)電子后，再俘獲一個(gè)空穴形成另一種類型的束縛激子， 其空穴束縛能級Eh在價(jià)帶0.037eV處。這種激子復(fù)合時(shí)發(fā)射紅光。孤立O中心俘獲的電子與Zn中心俘獲的空穴相復(fù)合，發(fā)射紅光。2）GaP中的其他非本征發(fā)光中心N等電子中心N在GaP中取代P起等電子陷階作用，其能級位置在導(dǎo)帶下0.008eV處。N等電子陷阱俘獲電子后再俘獲空穴形成束縛激子，其空穴束縛能級 Eh在價(jià)帶之上0.011eV處。這種激子復(fù)合時(shí)發(fā)綠光。Te—Zn施受主對若GaP材料中還摻有Te等淺施主雜質(zhì)，Te中心俘獲的電子與Zn中心俘獲的空穴相復(fù)合，發(fā)射550um附近的綠色光?？梢?，不含O的p型GaP可以發(fā)綠色光，而含O的GaP主要發(fā)紅色光。因此，要提高綠光發(fā)射效率，必須避免 O的摻入。二、發(fā)光效率電子躍遷過程中，除了發(fā)射光子的輻射躍遷外，還存在無輻射躍遷。無輻射復(fù)合過程中的能量釋放機(jī)理比較復(fù)雜，包含俄歇復(fù)合和多聲子無輻射復(fù)合等。輻射復(fù)合和無輻射復(fù)合過程兩者發(fā)生幾率的不同使材料具有不同的發(fā)光效率，因而發(fā)光效率決定于額外載流子的輻射復(fù)合壽命 t和無輻射復(fù)合壽命Tr的相對大小。1、 內(nèi)量子效率發(fā)光效率通常分為"內(nèi)量子效率” n內(nèi)和"外量子效率”n外。內(nèi)量子效率定義為：單位財(cái)間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)-

7內(nèi)單愉肪間內(nèi)片人的戯子-牢穴對敎平衡時(shí)，電子-空穴對的激發(fā)率等于額外載流子的復(fù)合率 （包括輻射復(fù)合和無輻射復(fù)合），而復(fù)合率分別決定于壽命 下和怖（輻射復(fù)合率正比于1/百無輻射復(fù)合率正比于1/麗），因此，n內(nèi)可寫成1_1內(nèi)1一第/?nr可見，只有當(dāng)Tr>>t時(shí)，才能獲得有效的光子發(fā)射。對以間接復(fù)合為主的半導(dǎo)體材料，一般既存在輻射復(fù)合中心，也存在無輻射復(fù)合復(fù)合中心。因此，要使輻射復(fù)合占壓倒優(yōu)勢，即 Tr>>T，必須使發(fā)光中心濃度Nl遠(yuǎn)大于其他雜質(zhì)濃度Nt。2、 外量子效率輻射復(fù)合所產(chǎn)生的光子并不是全部都能離開晶體向外發(fā)射。從發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光子向外傳輸時(shí)有部分會被再吸收。另外，由于半導(dǎo)體的高折射率3~4），光子在界面處很容易發(fā)生全反射而返回到晶體內(nèi)部。即使是垂直入射界面的光子，由于高折射率導(dǎo)致高反射率， 有相當(dāng)大部分（30%左右）被反射回晶體內(nèi)部。因此，用“外量子效率”外來描寫半導(dǎo)體材料的總有效發(fā)光效率，即—單G時(shí)間內(nèi)發(fā)射到外部的光子數(shù)"外一單位時(shí)間內(nèi)注人的電子-空穴對數(shù)位，因此，內(nèi)量子效率比較高，可接近對于像GaAs這一類的直接禁帶半導(dǎo)體，直接輻射復(fù)合在額外載流子的復(fù)合過程中占主導(dǎo)地位，因此，內(nèi)量子效率比較高，可接近定很高。例如，室溫下100%，但能夠從晶體內(nèi)實(shí)際發(fā)射出去的光子比例卻不一定很高。例如，室溫下GaP（Zn-0）紅光LED的n外最高可達(dá)15%,GaP（N）綠光LED的n外只有0.7%。為了提高LED的發(fā)光效率，不但要選擇內(nèi)量子效率高的材料，還要采取適當(dāng)措施提高外量子效率。譬如將LED芯片表面做成球面，并使發(fā)光區(qū)域處于球心，這樣可以避免表面的全反射。因?yàn)榫w的吸收隨著溫度增高而增大.因此，發(fā)光效率將隨溫度增高而下降。三、電致發(fā)光機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體電致發(fā)光的額外載流子注入主要有兩種方式：場注入和結(jié)注入。1、場致發(fā)光均勻高阻材料在強(qiáng)電場下通過載流子的雪崩倍增效應(yīng)（俄歇產(chǎn)生）獲得額外載流子的注入,這些載流子通過本征躍遷復(fù)合，或通過雜質(zhì)能級復(fù)合，發(fā)射發(fā)射相應(yīng)波長的光。這種方式的效率不高，通常只有單極性半導(dǎo)體，例如 ZnS才采用這種方式。2、p-n結(jié)注入發(fā)光如圖10—24所示，利用p-n結(jié)在正向偏置條件下的注入作用，可以在勢壘區(qū)外形成額外少數(shù)載流子的累積， 這些額外載流子在擴(kuò)散的過程中通過與多數(shù)載流子的復(fù)合而發(fā)光。利用pn結(jié)注入發(fā)光制造的LED分同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)兩種。圖10-24pn結(jié)注入發(fā)光示意圖1）同質(zhì)結(jié)LED圖10-24pn結(jié)注入發(fā)光示意圖的勢壘寬度，因此勢壘區(qū)中的輻射復(fù)合幾率較小，輻射復(fù)合主要發(fā)生在結(jié)兩邊的擴(kuò)散區(qū)。同質(zhì)結(jié)的注入?yún)^(qū)又是少子累積區(qū)，復(fù)合幾率較大，影響注入效率。同時(shí)，由于本征輻射復(fù)合發(fā)射的光子能量與所用材料的禁帶寬度相當(dāng)，發(fā)射光子在向外傳播的過程中大部分被材料吸收，因而其外量子效率很低。利用雜質(zhì)能級發(fā)光的GaPLED主要采用同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。改進(jìn)辦法是采用異質(zhì)結(jié)10-25表示理想的異質(zhì)結(jié)10-25（b）所示，當(dāng)正向偏n區(qū)擴(kuò)散，而n區(qū)的電子由于面少數(shù)載流子）向10-25表示理想的異質(zhì)結(jié)10-25（b）所示，當(dāng)正向偏n區(qū)擴(kuò)散，而n區(qū)的電子由于面少數(shù)載流子）向n區(qū)的高注入效率。這時(shí)，例如GaAs-GaSb止偏態(tài)偏壓uF故苔發(fā)光II1圖11-25異質(zhì)結(jié)高效注入復(fù)合發(fā)光示意圖臨高勢壘厶E=E例如GaAs-GaSb止偏態(tài)偏壓uF故苔發(fā)光II1圖11-25異質(zhì)結(jié)高效注入復(fù)合發(fā)光示意圖禁帶較寬的p區(qū)成為單一注入?yún)^(qū)，禁帶較窄的n區(qū)成為單一發(fā)光區(qū)。異質(zhì)結(jié)，其發(fā)射光子能量為 0?7eV，相當(dāng)于GaSb的禁帶寬度。這種異質(zhì)結(jié)LED的另一優(yōu)點(diǎn)，是寬禁帶注入?yún)^(qū)同時(shí)作為不會被吸收，提高了輻射窗口，其禁帶寬度大于發(fā)射光子的能量，射光向外傳播時(shí)=不會被吸收，提高了外?，F(xiàn)代LED還采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高注入效率和量子效率。量子阱結(jié)構(gòu)利用量子尺寸效應(yīng)將電子的勢能提高，發(fā)射能量比材料Eg高的光子。0.6半導(dǎo)體激光激光(laser—lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)一詞是〃利用輻射的受激發(fā)射進(jìn)行光量子放大”的縮寫。激光器是一種亮度極高。方向性和單色性極好的相干光輻射。 激光器分固體激光器和氣體激光器兩大類。半導(dǎo)體激光器是固體激光器的重要組成部分， 主要用于通訊，覆蓋從紅外到近紫外的整個(gè)波段。如常用的激光材料 GaAs可發(fā)射紅外激光，固溶體體 GaAsPx可發(fā)射可見激光，新興的 GaN基激光器發(fā)射藍(lán)色和近紫外激光 ??????一、 自發(fā)輻射和受激輻射所謂自發(fā)輻射，就是電子不受任何外界因素的作用而自發(fā)地從高能狀態(tài) E2向低能狀態(tài)Ei躍遷并發(fā)射一個(gè)能量為hv2=E2-Ei的光子，正如前面所述之 LED的發(fā)光過程。所謂受激輻射，就是電子在光輻射的激勵下從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的輻射過程。在這種過程中，電子同樣是從高能狀態(tài)E2向低能狀態(tài)Ei躍遷并發(fā)射一個(gè)能量為hv2=E2—Ei的光子，但要預(yù)先受到另一個(gè)能量同樣為hv2的光子的激勵。半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體 LED的根本差別，就在于除了額外載流子的注入與自發(fā)輻射，還有這樣一個(gè)很關(guān)鍵的受激輻射過程。自發(fā)輻射和受激輻射是兩種不同的光子發(fā)射過程。自發(fā)輻射中所有電子的躍遷都是隨機(jī)的，所發(fā)射的光子雖然具有相等的能量 hv2，但它們的位相和傳播方向各不相同；而受激輻射中發(fā)射光子的頻率、位相、方向和偏振態(tài)等全部特性都與入射光子完全相同。同時(shí)，如果激勵光子原本就是由能級E2到Ei的電子躍遷過程產(chǎn)生的，則一個(gè)受激輻射過程同時(shí)發(fā)射兩個(gè)同頻率、同位相、同方向的光子。二、 受激輻射的必要條件對上述頻率為v2的光子而言，它既可能被能級Ei上的電子吸收而使之激發(fā)到能級 E2,也可能激勵能級E2上的電子使之躍遷到能級Ei而產(chǎn)生受激輻射。這兩個(gè)過程的發(fā)生幾率哪個(gè)更大，取決于電子在能級Ei和E2的分布情況。一般情況下，低能級 Ei上的電子密度遠(yuǎn)高于高能級 E2的電子密度，因而頻率為 v2的光子通常在能級Ei和E2之間引起光的吸收；然后，被激發(fā)到 E2的電子又自發(fā)地躍遷回 Ei,發(fā)射出最多不超過入射光子數(shù)的頻率為 v2的光子。但是，若處在高能級E2上的電子密度高于低能級Ei的電子密度，則該系統(tǒng)在頻率為 v2的光子流照射下，受激輻射將超過光的吸收。這樣，該系統(tǒng)將發(fā)射出能量為 hv2，但數(shù)目超過入射數(shù)目的光子。這種現(xiàn)象即為光量子放大，出射光即為激光。通常把高能級比低能級電子密度高的反常情況稱為分布反轉(zhuǎn)或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因此，分布反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件，為了讓半導(dǎo)體發(fā)射激光，必須在半導(dǎo)體中首先形成導(dǎo)帶底比價(jià)帶頂電子密度高的分布反轉(zhuǎn)狀態(tài)。(a)］袖(b)對價(jià)帶全滿、導(dǎo)帶全空的處于絕對零度的半導(dǎo)體，借助能量大于禁帶寬度Eg的光的激發(fā)，可以將價(jià)帶頂一定能量范圍內(nèi)的電子全部轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶底，將導(dǎo)帶底一定能量范圍內(nèi)的狀態(tài)全部填滿，如圖iO-26所示。因?yàn)榻^對零度下費(fèi)米能級以上的能級必然全空，費(fèi)米能級以下的能級必然全滿，所以對這樣一個(gè)受到光照的額外電子系統(tǒng)，價(jià)帶頂騰空狀態(tài)的最低能級就是空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級 Efp，導(dǎo)帶底占滿狀態(tài)的最高能(a)］袖(b)圖iO-26OK半導(dǎo)體的電子熱平衡分布(a)和

由光照產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)分布(b)

級就是電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級 EFn。這樣，在EFn和E/p的范圍內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了電子密度的分布反轉(zhuǎn)。若入射光子的能量hv能滿足關(guān)系Eg乞h:::(Epn一EFP)則該系統(tǒng)就會發(fā)生受激輻射。若將該受到光照的非熱平衡系統(tǒng)置于 TM0K的狀態(tài)，則電子就有一定幾率去占據(jù)在 0K時(shí)空著的狀態(tài)，而0K時(shí)被占據(jù)狀態(tài)中的電子也有一定幾率被熱激發(fā)出來而使之成為未被占據(jù)的狀態(tài)。這樣，電子在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)姆植紝l(fā)生變化。 系統(tǒng)在入射光hv的作用下，既有可能發(fā)生光吸收及其后的自發(fā)輻射，也有可能發(fā)生不吸收光子的受激輻射。哪一個(gè)過程占優(yōu)勢，決定于這兩個(gè)過程發(fā)生幾率的相對大小。因?yàn)槭芗ぽ椛涫菍?dǎo)帶中能量為 E的狀態(tài)中的電子向價(jià)帶中能量為 (E-hV的空狀態(tài)躍遷的過程，因此，受激輻射的發(fā)生幾率，應(yīng)與導(dǎo)帶中所有被電子占據(jù)狀態(tài)的密度/Nc(E)fc(E)dE和價(jià)帶中所有未被電子占據(jù)但能量為 (E-hv)的空狀態(tài)的密度/Nv(E-hv[1-fv(E—hv]dE的乘積成正比。這里，Nc(E)和Nv(E—hv分別是導(dǎo)帶中能量為E的狀態(tài)和價(jià)帶中能量為(E—hv的狀態(tài)的密度，fc(E)和fv(E—hv分別是電子占據(jù)這兩種狀態(tài)的幾率，而 [1—fv(E—hv自然就是狀態(tài)(E—hv空著的幾率。與受激輻射相反，吸收是價(jià)帶中能量為 (E-hv)的狀態(tài)中的電子向?qū)е心芰繛?E的空狀態(tài)躍遷的過程。因此，吸收過程的發(fā)生幾率應(yīng)與導(dǎo)帶中所有能量為E的空狀態(tài)的密度/Nc(E)[1—fc(E)]dE和價(jià)帶中所有已被電子占據(jù)但能量須為 (E—hv)的狀態(tài)的密度/Nv(E—hVfv(E—hvdE的乘積成正比。這里，[1—fc(E)]自然導(dǎo)帶中能量為E的狀態(tài)未被電子占據(jù)的幾率。由此可見，要使受激輻射占優(yōu)勢，必須是fc(E)[1-fv(E-h?[1-fc(E)]fv(E-2)利用準(zhǔn)費(fèi)米能級 Epn和Epp,可知fc(E)和fv(E—hv分別為fc(E)=fc(E)=k1Texp(11E_EFn、；&(〔_")=—)Fn 1exp(xE-h-EFppkT將這兩個(gè)幾率函數(shù)代入以上分析得出的不等式，知半導(dǎo)體在非零溫度下受能量光激勵而發(fā)生受激輻射的必要條件是hvEg的入射(EFn-EFP)h.這說明，要產(chǎn)生受激輻射，必須使電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級之差量h(E將這兩個(gè)幾率函數(shù)代入以上分析得出的不等式，知半導(dǎo)體在非零溫度下受能量光激勵而發(fā)生受激輻射的必要條件是hvEg的入射(EFn-EFP)h.這說明，要產(chǎn)生受激輻射，必須使電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級之差量h(Epn-Epp)大于入射光子的能v,而hv須不小于禁帶寬度Eg,即EFn—EFp>Eg。三、pn結(jié)激光器原理由此可見，要在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，必須使其導(dǎo)帶保持高密度的電子，價(jià)帶保持高密度的空穴。這種反常分布需要由外界輸入能量來維持。跟水泵提升水平面一樣，靠外力將電子不斷激發(fā)并維持在高能級上的過程被稱為“泵浦”。圖10-27結(jié)型激光器結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體激光器一般采用p-n結(jié)正向注入的方式“泵浦”電子。1、注入機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體pn結(jié)激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖 10-27所示。為了能夠有效地通過注入式“泵浦”實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，其p區(qū)和n區(qū)都必須重?fù)诫s，雜質(zhì)濃度一般高達(dá)1xi0布反轉(zhuǎn)，其p區(qū)和n區(qū)都必須重?fù)诫s，雜質(zhì)濃度一般高達(dá)1xi018cm「3。平衡時(shí)，費(fèi)米能級位于p區(qū)的價(jià)電F境譴就辦帶及n區(qū)的導(dǎo)帶內(nèi)，如圖IO-28(a)所示。外加正向偏壓U使pn結(jié)勢壘降低，n區(qū)向p區(qū)注入電子，p區(qū)向n區(qū)注入空穴，勢壘區(qū)及其兩側(cè)偏離平衡狀態(tài)。準(zhǔn)費(fèi)米能級Efa和Efp之間的距離即為qU，如圖IO-28(b)所示。因是重?fù)诫s，該pn結(jié)的平衡態(tài)勢壘很高，即使正向偏壓加大到 qU連g,也還不足以使勢壘完全消失。因此，可使用較高的正向偏壓，使結(jié)面附近(Efa-Efp)>Eg，形成分布反轉(zhuǎn)區(qū)。半導(dǎo)體pn結(jié)激光器的分布反轉(zhuǎn)區(qū)一般很薄，厚度只有1」m左右，但卻是激光器的核心部分，稱為有源區(qū)。注入式“泵浦”適合于pn結(jié)激光器，對難于制成p-n結(jié)的發(fā)光材料可采用電子束或激光作為泵源。2、激光的產(chǎn)生圖10-28結(jié)型激光器能帶圖分布反轉(zhuǎn)只是半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生受激輻射的必要條件，要能穩(wěn)定發(fā)射激光，還需要滿足其他一些條件。 首先，半導(dǎo)體pn結(jié)激光器需要通過自身的自發(fā)輻射產(chǎn)生激勵光。在pn結(jié)處于正向偏置狀態(tài)的初期， 其有源區(qū)中大量注入的額外載流子開始時(shí)完全是自發(fā)地復(fù)合，弓I起自發(fā)輻射，發(fā)射一定能量的光子，但這些光子的相位和傳播方向各不相同。大部分光子一旦產(chǎn)生，即穿出有源區(qū)，但也有小部分光子嚴(yán)格地沿平行于 p-n結(jié)結(jié)平面的方向傳播，如圖10-29所示。這些方向一定的光子作為激勵光源隨后引起其他電子 一空穴對復(fù)合的受激輻射，產(chǎn)生更多能量相同、方向相同的光子。這樣的受激輻射隨著注入電流的增大而逐漸發(fā)展，形成高強(qiáng)度的單色光，但其位相仍然是雜亂的，因而還不是相干光。1)共振腔 要使受激輻射達(dá)到發(fā)射激光的要求，即產(chǎn)生強(qiáng)度更大的單色相干光，必須依靠共振腔的作用。在p-n結(jié)激光器中，用垂直于結(jié)平面的兩個(gè)嚴(yán)格平行的晶體解理面作為天然反射鏡面形成所謂法布里一珀羅(Fabry—Perot)共振腔，如圖10-29所示。當(dāng)一定頻率的受激輻射沿平行于結(jié)平面的方向在反射面間來回反射， 最終形成兩列方向相反空穴尤I一 反射面圖10-29有源區(qū)輻射復(fù)合示意圖的波而相疊加時(shí)，就會在共振腔內(nèi)形成駐波。設(shè)兩個(gè)反射面的間距(共振腔長度)為I，激光器材料的折射率為n,受激輻射的真空波長為人”空穴尤I一 反射面圖10-29有源區(qū)輻射復(fù)合示意圖&m(—)=丨(m取整數(shù))2n不符合這個(gè)條件的波很快被損耗掉，而滿足這個(gè)條件的一系列特定波長的受激輻射則在共振腔內(nèi)保存下來，并繼續(xù)來回反射，形成振蕩。2)增益和閾值電流密度 受激輻射在共振腔內(nèi)來回反射時(shí)， 也會因吸收、散射及反射面透射等損耗機(jī)制而衰減。不過，注入電流則會使有源區(qū)內(nèi)的受激輻射不斷增強(qiáng)，即使之獲得增益。損耗和增益的消長決定著最終能否有激光的發(fā)射。若用g和：?分別表示單位長度傳播路徑內(nèi)輻射強(qiáng)度的增益(即增益系數(shù))和損耗(即損耗系數(shù))，用I代表輻射強(qiáng)度，則可將輻射的增益方程和損耗方程分別寫為理；-dL"

dxdx損耗系數(shù)「概括了反射面透射以外的全部腔內(nèi)損耗。若腔內(nèi)損耗完全由吸收所致，則 「即為激光器材料對輻射的吸收系數(shù)。 ：?主要決定于激光器材料的性質(zhì)及其摻雜濃度。激光器做成之后，其值基本不變。而增益系數(shù)g的大小則取決于注入電流。當(dāng)電流較小時(shí)，增益很?。浑娏髟龃?，增益也逐漸增大。當(dāng)注入電流增大到可使增益等于全部損耗時(shí)，才開始有激光的發(fā)射。因而稱增益等于損耗時(shí)的注入電流密度Jt為閾值電流密度，相應(yīng)的增益系數(shù)gT為閾值增益系數(shù)。由增益方