激光二極管(Laser Diode，簡稱LD)是一種通過電流激發(fā)產生激光的半導體器件。以下是激光二極管的一些關鍵概念和特點：

基本原理

激光二極管通過半導體材料的能帶結構和受激輻射原理來產生激光。基本步驟包括：

載流子注入：通過施加電壓，將電子注入到半導體材料的導帶中，同時將空穴注入到價帶中。

復合和受激輻射：注入的電子和空穴在活性層中復合，釋放出光子。當這些光子與其他電子復合時，會引發(fā)更多的受激輻射，從而放大光子數(shù)量。

光學反饋和諧振腔：激光二極管通常包含一個諧振腔，用來提供光學反饋，使得光子在腔內來回反射，從而形成相干光輸出。

二極管的基礎結構與材料

半導體，這種導電性能介于導體與絕緣體之間的物質，是二極管的關鍵組成部分。鐵、金等金屬屬于導體，而橡膠、玻璃等則屬于絕緣體。半導體材料，如硅(Si)，則可以通過控制其導電性來調節(jié)電流的流動。此外，它還能在光能和電能之間實現(xiàn)能量的轉換。

硅，作為最典型的半導體材料，在自然界中以硅石(SiO2)的形式存在，是一種資源豐富的材料。盡管硅原本是絕緣體，但通過摻雜其他雜質，如硼或磷，可以增加其內部的載流子濃度，進而提升其電導率。這樣通過雜質摻雜來增加載流子的半導體被稱為雜質半導體。其中，增加自由電子的被稱為n型半導體，而增加自由空穴的則被稱為p型半導體。

二極管的元件結構是基于p型半導體與n型半導體的連接，即pn結。在二極管中，p型半導體的引腳被稱為陽極，而n型半導體的引腳則被稱為陰極，電流從陽極流向陰極。

二極管的發(fā)光原理

當在pn結元件上施加正向電壓時，空穴(帶正電)和電子(帶負電)會朝向結點方向移動并發(fā)生結合。在這一過程中，產生的多余能量會以光能的形式釋放，進而實現(xiàn)發(fā)光。這一現(xiàn)象被稱作“復合發(fā)光”。

接下來，我們借助pn結的能帶圖來詳細剖析載流子的移動過程。在未施加偏壓時，pn結的狀態(tài)如圖示(左)所示，而施加正向偏壓后，其狀態(tài)則變?yōu)閳D示(右)所示。當pn結受到正向電壓的作用時，其處的能量勢壘高度會有所降低。隨之，n型區(qū)中的多數(shù)載流子——電子，會穿越這個降低的能量勢壘，進入p型區(qū)，并與p型區(qū)中的多數(shù)載流子——空穴發(fā)生復合。在這一復合過程中，產生的多余能量會以光能的形式被釋放出來。同時，p型區(qū)中的空穴也會移動至n型區(qū)，并與n型區(qū)中的電子復合，同樣地，這一復合也會釋放出多余的光能。

導帶與價帶之間的能量差異，即“帶隙”，是半導體材料中一個重要的概念。當電子從能量較高的導帶躍遷至能量較低的價帶，并與空穴結合時，這個帶隙的能量會以光子的形式釋放，這就是我們所說的半導體發(fā)光。這種發(fā)光現(xiàn)象在許多應用中發(fā)揮著關鍵作用，如顯示屏、照明設備等。

激光二極管，一種基于半導體材料的發(fā)光器件，其性能和特性深受所選材料的影響。與普通二極管所采用的硅材料不同，激光二極管更傾向于使用化合物半導體，這顯著提高了其發(fā)光效率。正是這種選材差異，使得激光二極管在波長、發(fā)光效率以及工作溫度等方面展現(xiàn)出獨特的特性。接下來，我們將深入探討激光二極管所采用的化合物半導體的作用及其特點。

化合物半導體在激光二極管中的應用

普通二極管元件多采用硅(Si)作為材料，而激光二極管則更傾向于選擇化合物半導體。由于硅的發(fā)光躍遷概率較低，即電流轉變?yōu)楣獾男什桓撸虼怂⒉贿m合用于激光二極管和LED這類發(fā)光器件。相反，激光二極管和LED所采用的發(fā)光半導體，被稱為“直接躍遷型半導體”，其電子在導帶與價帶之間的躍遷是直接的，從而提高了發(fā)光效率。

直接躍遷與間接躍遷的對比

在半導體中，電子會從能量較高的導帶躍遷至能量較低的價帶。這種躍遷有兩種類型：直接躍遷和間接躍遷。直接躍遷型半導體的電子躍遷過程更為直接，因此發(fā)光效率更高;而間接躍遷型半導體的電子則需要經過晶格的輔助才能完成躍遷，其發(fā)光效率相對較低。正是這種差異，使得激光二極管在材料選擇上更偏向于直接躍遷型半導體，從而確保其具有出色的發(fā)光性能。

A)直接躍遷型半導體

在半導體中，當電子從價帶躍遷至導帶時，如果導帶底和價帶頂?shù)牟〝?shù)k相同，則該半導體被稱為“直接躍遷型半導體”。這種躍遷過程中，電子無需經過晶格的輔助，便能直接釋放出帶隙Eg的能量，以光子的形式發(fā)出，進而躍遷至價帶與空穴復合。這使得直接躍遷型半導體具有極高的發(fā)光效率，非常適合作為激光二極管和LED的材料。典型的直接躍遷型半導體包括GaAs/AlGaAs、GaAlP/InGaAlP以及GaN/InGaN等化合物半導體。

B)間接躍遷型半導體

相比之下，如果導帶底和價帶頂?shù)牟〝?shù)k不同，則該半導體被稱為“間接躍遷型半導體”。在這種躍遷過程中，電子會發(fā)射或吸收聲子(晶格振動的量子)，導致波數(shù)k發(fā)生變化。這種變化使得光子的發(fā)射概率降低，從而影響了發(fā)光效率。因此，間接躍遷型半導體并不適合用于發(fā)光器件。典型的間接躍遷型半導體包括Si和Ge。

波長范圍與調整方法

激光二極管和LED所采用的化合物半導體，其發(fā)光波長可以根據材料組成和比例進行靈活調整?；景l(fā)光波長取決于有源層中半導體的載流子復合時的帶隙能量。通過調整帶隙能量，可以實現(xiàn)對激光二極管和LED發(fā)光波長的精確控制。這種靈活性使得化合物半導體在光電子領域具有廣泛的應用前景。

激光二極管和LED等所采用的化合物半導體，是通過在特定半導體材料(即襯底)上，利用外延生長技術制備出pn結的薄膜結晶來制作的。為了確保薄膜晶體的優(yōu)質堆疊，半導體襯底與各結晶層之間的晶格常數(shù)必須相匹配。在材料選擇過程中，除了考慮帶隙能量這一關鍵因素外，晶格常數(shù)的匹配性也是不可或缺的考量因素。

上圖揭示了III-V族化合物半導體中，晶格常數(shù)與帶隙能量(即波長)之間的緊密聯(lián)系。通常，帶隙能量較高的材料會擁有較小的晶格常數(shù)，反之則晶格常數(shù)較大。這一圖表清晰地展示了III-V族化合物半導體在理論上能夠支持從紫外光到可見光，再到紅外光的廣泛光譜范圍。例如，當在GaAs襯底上生長GaInP的pn結時，由于晶格常數(shù)的高度匹配，可以獲得大約650nm的特定發(fā)光波長。

接下來，我們探討發(fā)光顏色與波長的關系。LED的發(fā)光波長范圍寬廣，而激光二極管則能發(fā)出波長幾乎不變的單一顏色光。世界上存在著各種波長的激光，其中那些肉眼可見的光波被稱為“可見光”。其典型的波長包括：

可見光，即人眼可以感知的光譜范圍，涵蓋了多種材料和相應的發(fā)光顏色。激光二極管，作為半導體激光器的核心部件，其關鍵材料包括砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)和磷化銦(InP)。砷化鎵是最為常見的激光二極管材料，具有廣泛的波長覆蓋能力，且半導體制造技術已相當成熟，使得其性能卓越。氮化鎵則因能高效開發(fā)藍光LED和高功率UV LED而聲名遠揚。而磷化銦則被廣泛應用于高速通信領域以及近紅外激光二極管的制造中。

激光二極管和LED的區(qū)別

將激光二極管和LED的區(qū)別匯總在了下表中。

由于激光二極管的譜寬是狹窄單一的波長、相位整齊、指向性高的光，因此具備容易控制能量的特征。

激光二極管的特點和用途

激光二極管的用途示例

激光二極管充分利用直進性、微小光斑尺寸 (數(shù)um～)、單色性、高光密度、相干性 (coherent) 這些特點，被用在各種應用上面。

最近，運動傳感器、HDD熱輔助磁性記錄、照明(投影儀、前照燈)上也在使用。

下表中匯總了按激光二極管的功能分類的用途示例。