激光二極管(Laser Diode，簡(jiǎn)稱(chēng)LD)是一種通過(guò)電流激發(fā)產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體器件。以下是激光二極管的一些關(guān)鍵概念和特點(diǎn)：

基本原理

激光二極管通過(guò)半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)和受激輻射原理來(lái)產(chǎn)生激光。基本步驟包括：

載流子注入：通過(guò)施加電壓，將電子注入到半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶中，同時(shí)將空穴注入到價(jià)帶中。

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

光學(xué)反饋和諧振腔：激光二極管通常包含一個(gè)諧振腔，用來(lái)提供光學(xué)反饋，使得光子在腔內(nèi)來(lái)回反射，從而形成相干光輸出。

二極管的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與材料

半導(dǎo)體，這種導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)，是二極管的關(guān)鍵組成部分。鐵、金等金屬屬于導(dǎo)體，而橡膠、玻璃等則屬于絕緣體。半導(dǎo)體材料，如硅(Si)，則可以通過(guò)控制其導(dǎo)電性來(lái)調(diào)節(jié)電流的流動(dòng)。此外，它還能在光能和電能之間實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

硅，作為最典型的半導(dǎo)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(guò)摻雜其他雜質(zhì)，如硼或磷，可以增加其內(nèi)部的載流子濃度，進(jìn)而提升其電導(dǎo)率。這樣通過(guò)雜質(zhì)摻雜來(lái)增加載流子的半導(dǎo)體被稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。其中，增加自由電子的被稱(chēng)為n型半導(dǎo)體，而增加自由空穴的則被稱(chēng)為p型半導(dǎo)體。

二極管的元件結(jié)構(gòu)是基于p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體的連接，即pn結(jié)。在二極管中，p型半導(dǎo)體的引腳被稱(chēng)為陽(yáng)極，而n型半導(dǎo)體的引腳則被稱(chēng)為陰極，電流從陽(yáng)極流向陰極。

二極管的發(fā)光原理

當(dāng)在pn結(jié)元件上施加正向電壓時(shí)，空穴(帶正電)和電子(帶負(fù)電)會(huì)朝向結(jié)點(diǎn)方向移動(dòng)并發(fā)生結(jié)合。在這一過(guò)程中，產(chǎn)生的多余能量會(huì)以光能的形式釋放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。這一現(xiàn)象被稱(chēng)作“復(fù)合發(fā)光”。

接下來(lái)，我們借助pn結(jié)的能帶圖來(lái)詳細(xì)剖析載流子的移動(dòng)過(guò)程。在未施加偏壓時(shí)，pn結(jié)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(dāng)pn結(jié)受到正向電壓的作用時(shí)，其處的能量勢(shì)壘高度會(huì)有所降低。隨之，n型區(qū)中的多數(shù)載流子——電子，會(huì)穿越這個(gè)降低的能量勢(shì)壘，進(jìn)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(fù)合。在這一復(fù)合過(guò)程中，產(chǎn)生的多余能量會(huì)以光能的形式被釋放出來(lái)。同時(shí)，p型區(qū)中的空穴也會(huì)移動(dòng)至n型區(qū)，并與n型區(qū)中的電子復(fù)合，同樣地，這一復(fù)合也會(huì)釋放出多余的光能。

導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的能量差異，即“帶隙”，是半導(dǎo)體材料中一個(gè)重要的概念。當(dāng)電子從能量較高的導(dǎo)帶躍遷至能量較低的價(jià)帶，并與空穴結(jié)合時(shí)，這個(gè)帶隙的能量會(huì)以光子的形式釋放，這就是我們所說(shuō)的半導(dǎo)體發(fā)光。這種發(fā)光現(xiàn)象在許多應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，如顯示屏、照明設(shè)備等。

激光二極管，一種基于半導(dǎo)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(dǎo)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(zhǎng)、發(fā)光效率以及工作溫度等方面展現(xiàn)出獨(dú)特的特性。接下來(lái)，我們將深入探討激光二極管所采用的化合物半導(dǎo)體的作用及其特點(diǎn)。

化合物半導(dǎo)體在激光二極管中的應(yīng)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(dǎo)體。由于硅的發(fā)光躍遷概率較低，即電流轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾男什桓?，因此它并不適合用于激光二極管和LED這類(lèi)發(fā)光器件。相反，激光二極管和LED所采用的發(fā)光半導(dǎo)體，被稱(chēng)為“直接躍遷型半導(dǎo)體”，其電子在導(dǎo)帶與價(jià)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(duì)比

在半導(dǎo)體中，電子會(huì)從能量較高的導(dǎo)帶躍遷至能量較低的價(jià)帶。這種躍遷有兩種類(lèi)型：直接躍遷和間接躍遷。直接躍遷型半導(dǎo)體的電子躍遷過(guò)程更為直接，因此發(fā)光效率更高;而間接躍遷型半導(dǎo)體的電子則需要經(jīng)過(guò)晶格的輔助才能完成躍遷，其發(fā)光效率相對(duì)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(dǎo)體，從而確保其具有出色的發(fā)光性能。

A)直接躍遷型半導(dǎo)體

在半導(dǎo)體中，當(dāng)電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶時(shí)，如果導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)牟〝?shù)k相同，則該半導(dǎo)體被稱(chēng)為“直接躍遷型半導(dǎo)體”。這種躍遷過(guò)程中，電子無(wú)需經(jīng)過(guò)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(jìn)而躍遷至價(jià)帶與空穴復(fù)合。這使得直接躍遷型半導(dǎo)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(dǎo)體包括GaAs/AlGaAs、GaAlP/InGaAlP以及GaN/InGaN等化合物半導(dǎo)體。

B)間接躍遷型半導(dǎo)體

相比之下，如果導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)牟〝?shù)k不同，則該半導(dǎo)體被稱(chēng)為“間接躍遷型半導(dǎo)體”。在這種躍遷過(guò)程中，電子會(huì)發(fā)射或吸收聲子(晶格振動(dòng)的量子)，導(dǎo)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(dǎo)體并不適合用于發(fā)光器件。典型的間接躍遷型半導(dǎo)體包括Si和Ge。

波長(zhǎng)范圍與調(diào)整方法

激光二極管和LED所采用的化合物半導(dǎo)體，其發(fā)光波長(zhǎng)可以根據(jù)材料組成和比例進(jìn)行靈活調(diào)整?；景l(fā)光波長(zhǎng)取決于有源層中半導(dǎo)體的載流子復(fù)合時(shí)的帶隙能量。通過(guò)調(diào)整帶隙能量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光二極管和LED發(fā)光波長(zhǎng)的精確控制。這種靈活性使得化合物半導(dǎo)體在光電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

激光二極管和LED等所采用的化合物半導(dǎo)體，是通過(guò)在特定半導(dǎo)體材料(即襯底)上，利用外延生長(zhǎng)技術(shù)制備出pn結(jié)的薄膜結(jié)晶來(lái)制作的。為了確保薄膜晶體的優(yōu)質(zhì)堆疊，半導(dǎo)體襯底與各結(jié)晶層之間的晶格常數(shù)必須相匹配。在材料選擇過(guò)程中，除了考慮帶隙能量這一關(guān)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(dǎo)體中，晶格常數(shù)與帶隙能量(即波長(zhǎng))之間的緊密聯(lián)系。通常，帶隙能量較高的材料會(huì)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(dǎo)體在理論上能夠支持從紫外光到可見(jiàn)光，再到紅外光的廣泛光譜范圍。例如，當(dāng)在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaInP的pn結(jié)時(shí)，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(zhǎng)。

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

可見(jiàn)光，即人眼可以感知的光譜范圍，涵蓋了多種材料和相應(yīng)的發(fā)光顏色。激光二極管，作為半導(dǎo)體激光器的核心部件，其關(guān)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(jiàn)的激光二極管材料，具有廣泛的波長(zhǎng)覆蓋能力，且半導(dǎo)體制造技術(shù)已相當(dāng)成熟，使得其性能卓越。氮化鎵則因能高效開(kāi)發(fā)藍(lán)光LED和高功率UV LED而聲名遠(yuǎn)揚(yáng)。而磷化銦則被廣泛應(yīng)用于高速通信領(lǐng)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(zhǎng)、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(diǎn)和用途

激光二極管的用途示例

激光二極管充分利用直進(jìn)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(diǎn)，被用在各種應(yīng)用上面。

最近，運(yùn)動(dòng)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(lèi)的用途示例。