5.價格低廉。現在,最便宜的半導體激光器僅為1美元一隻,但通信用LD、高功率LD、有特殊要求的LD的價格仍然偏高。不過,相對於其他激光器而言,半導體激光器價格還是相對低廉的,而且具有相當大的降價潛力,原因是:它可用成熟的微電子技術進行大量生產,如可在3英寸的襯底上,生產7000個半導體激光器。以前,封裝工藝還是手工的,但最近,朗訊公司等推出的激光2000封裝設備,已使LD從管芯到封裝成型、參數檢測自動完成,這大大提高了通信用LD的產品質量和數量,也大大降低了成本。

LD魅力還遠不止這些,正是由於LD本身確實具有如此驚人的魅力,才使它的發展如此之快,才使它在當今的信息社會裏扮演了如此重要的角色,才使它對人類生活產生如此重大的影響。關心它,了解它,學會應用它,無疑會對你在新世紀的發展中產生重要影響!

半導體激光器的基礎知識

(一)半導體激光材料

前麵談到:半導體激光器是以半導體材料作為工作物質的,但不是所有的半導體材料都可以用來製作半導體激光器,如大量用於製作微電子器件的鍺(Ge)和矽(Si)不適合於製作半導體激光器,因為這些半導體是間接帶隙半導體。隻有具有直接帶隙的半導體材料,如砷化镓(GaAs)、銦镓砷磷(InGaAsP)、銦镓砷、(InGaAs)等,才可用來製作半導體激光器。為了說明這一點,有必要了解一些有關半導體材料的基礎知識。

大家知道:原子是由原子核和電子組成的,電子可在不同的軌道上繞核運動,在不同軌道上運動的電子具有不同的能量。我們稱對應於某一軌道的能量為能級。如果電子從一個軌道跳到另一個軌道,即從一個能級跳到另一個能級,電子的能量就要發生變化,或放出能量,或吸收能量。

在半導體中,情況比較複雜。內層電子的行為與原子中內層電子的行為類似。外層電子的行為與原子中外層電子的行為很不相同,半導體中的外層電子,不再局限於單個原子運動,它可以在整個晶體中自由運動。但是,這種運動又與電子在自由空間的運動形式不同,在自由空間,電子的運動不受任何約束,在半導體中,電子則是在周期場的作用下運動的。理論研究表明:在周期場作用下運動的電子,所對應的能級就會變成能帶。Ge、Si為間接帶隙半導體,它們的導帶底與價帶頂分別對應於不同的K值;CaAs為直接帶隙半導體,其導帶底與價帶頂對應於同一個K值。隻有直接帶隙半導體才能用來製作半導體激光器,因為,在這種半導體中,電子從導帶底向價帶頂躍遷時,不必要改變其動量,即改變K值。而在間接帶隙半導體中,電子從導帶底向價帶頂躍遷時,必須改變其動量,即改變K值。電子動量的變化,意味著要引起晶格振動的變化,即意味著要有聲子參與,聲子的參與將使發光效率大大降低。所以,間接帶隙半導體不宜用來製作半導體激光器,但仍可用來製作發光二極管。

不同半導體材料具有不同的禁帶寬度,因而用不同材料製作的半導體激光器,發射波長也就不同;在同一種材料中,改變組分也可使波長在一定範圍內變化。

(二)LD的核心——pn結

上麵談到的半導體都是純的半導體,如果在純的半導體中摻入少量雜質,就會使半導體的性質發生很大變化。適當摻入某些雜質,會使微電子和光電子器件的性能大大提高。

不摻雜的純半導體又稱為本征半導體。在本征半導體中,導帶中的電子和價帶中的空穴在數量上是一樣的。如果在半導體中摻入某種雜質,情況就會發生變化。現在,以GaAs為例,看看摻入某種雜質後,會發生什麼變化。查一查門捷列夫元素周期表,不難發現Ga是三價原子,As是五價原子,GaAs最外層共有8個電子,處於穩定狀態。如果在某個Ga的位置,用Zn來替代Ga,因為Zn是二價的,結果就使GaAs的最外層電子變成7個,這是一個不穩定的狀態,有吸引周圍電子的傾向。從電學的角度看,它帶有正電。我們稱這種帶正電的雜質——原子團為空穴。這種空穴在獲得很小的能量(電離能)之後,可在整個晶體中自由運動,從能量角度看,它已進入價帶了。這種雜質被稱為受主(受主雜質濃度用NA表示),因為它能為半導體提供空穴。

含有受主的半導體稱為p型半導體。受主雜質的電離能是很小的,室溫時的熱能就能把空穴電離到價帶中去。在能帶圖上,受主雜質能級處於禁帶中,但緊靠價帶頂。在摻雜濃度較低時,受主雜質能級與價帶頂也是分離的,但是,在雜質濃度很高時,會形成雜質能帶,當雜質濃度高到一定程度時,受主雜質能帶就會與價帶頂相連,形成所謂帶尾。同樣的,如果用六價原子Sn替代As,CaAs的最外層電子就變成9個,這也是一個不穩定狀態,因為多餘一個電子。這個電子在獲得很小的能量(電離能)之後,也可在整個晶體中自由運動,從能量角度看,電子進入導帶了。這樣的雜質稱為施主,因為它能為半導體提供電子(施主雜質濃度用ND表示)。含有施主的半導體稱為n型半導體,雜質原子的外層電子也是具有一定能量的,因為其電離能很小,室溫時的熱能就足以把雜質原子的外層電子電離到導帶去了。因此,在能帶圖上,施主雜質的能級也處於禁帶中,但緊靠導帶底。