激光二极管是如何工作的？具有哪些特性应用？

2023-2-7 15:35:42 921 激光二极管二极管半导体器件

0 激光二极管介绍激光二极管（注入激光二极管或二极管激光器）是一种可以产生激光的半导体器件，发射包含单一颜色的窄光，类似于发光二极管（LED）。产生激光的三个条件是：实现粒子数反演、满足阈值条件和共振条件。由于激光二极管对静电非常敏感，因此应小心使用以防止静电。根据PN结材料的不同，它们可以分为同质结激光器，单异质结（SH）激光器，双异质结（DH）激光器和量子阱（QW）激光器。激光二极管规格（1）波长——是激光管的工作波长，包括635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等，用于光电开关激光器。（2）阈值电流– 激光管开始产生激光振荡的电流。对于一般的低功率激光管，该值约为几十mA，具有多量子阱结构的激光管的阈值电流可低至10mA或更低。（3）工作电流——是激光管达到额定输出功率的驱动电流，这对于激光驱动电路的设计和调试更为重要。（4）垂直发散角– 是激光二极管的发光波段在垂直PN结方向上的开角，一般在15°~40°左右。（5）水平发散角– 激光二极管的发光带与PN结平行方向的开角，一般在6°~10°左右。（6）监控电流– 是激光管处于额定输出功率时流在 PIN 管上的电流。激光二极管的工作原理半导体中的光发射通常是由载流子络合引起的。当对PN结施加正电压时，它将削弱PN结势垒，迫使电子从N区注入P区，并从P区注入空穴到N区。这些注入在PN结附近的非平衡电子和空穴将被复合，从而发射波长λ的光子，公式如下。 λ=hc/Eg 其中：h - 普朗克常数，c - 光速，Eg - 半导体的带隙宽度。由于电子和空穴的自发复合引起的上述发光现象称为自发辐射。当光子通过半导体产生的自发辐射时，一旦电子-空穴对已经发射到附近，它就可以激发两个复合物产生新的光子。该光子已被诱导激发载体化合物并发出称为激发辐射的新光子。如果注入电流足够大，则会形成与热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当载流子在有源层内发生大量反转的情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端反射，然后有感应辐射，产生频率选择性共振正反馈，或增益为一个频率。当增益大于吸收损耗时，可以从PN结即激光器发出具有良好光谱线的相干光。至于半导体激光管的发光原理，半导体激光管中的P-N结由两个掺杂的GaAs层形成。它有两个平端结构，平行于末端（高反射表面）和部分反射。激光二极管发射相干光，其中所有波都处于相同的频率和相位。要发射的光的波长与结的长度完全相关。当P-N结被外部电压正向偏置时，电子穿过结并像普通二极管一样重新组合。当电子与空穴复合时，光子被释放出来。这些光子撞击原子，导致更多的光子被释放。随着正向偏置电流的增加，更多的电子进入耗尽区域并导致发射更多的光子。最终，一些在耗尽区域中随机漂移的光子垂直撞击反射表面，从而沿着其原始路径反射回去。反射的光子再次从结的另一端反射回来。光子从一端到另一端的这种运动是连续的几次。在光子运动过程中，由于雪崩效应，更多的原子释放出更多的光子。这种反射和产生越来越多的光子的过程会产生非常强烈的激光束。在上述发射过程中产生的每个光子在能级、相位关系和频率方面与其他光子相同。因此，发射过程产生单一波长的激光束。为了产生激光束，激光二极管中的电流必须超过某个阈值水平。低于阈值电平的电流迫使二极管表现为LED，发出非相干光。激光二极管特性半导体半导体激光管的基本结构如图所示。一对垂直于PN结面的平行平面形成法布里-珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的溶液表面，也可以是抛光平面。其余两边比较粗糙，以消除激光在主要方向以外的其他方向的作用。此外，激光器由三个主要部件组成：激光介质（固体、液体或气体）、刺激能量源（泵）和光学谐振器。图1.半导体激光二极管结构激光二极管的特点之一是能够直接从电流调制其输出光的强度。由于输出光功率和输入电流之间的关系大多是线性的，激光二极管可以使用模拟或数字电流直接调制输出光强度，不需要昂贵的调制器，这使得二极管使用起来更经济。二极管最重要的特性是其单向导电性，而半导体激光管作为二极管类型之一，具有相同的特性。在电路中，电流只能从二极管的正极端子流入，从负极端子流出。以下是具体说明。 1）正向特性在电子电路中，当二极管的正端连接到高电位端子，负极端子连接到低电位端子时，二极管导通。就这种联系而言，它称为前向偏置。此外，当施加到二极管两端的正向电压非常小时，二极管仍然无法导通，流过的正向电流非常小。只有当正向电压达到一定值（该值称为“阈值电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）时，二极管才能导通。在此之后，二极管两端的电压基本保持不变（锗约为0.3V，硅二极管约为0.7V），这称为“正向压降”。 2）反向功能在电子电路中，二极管的正端连接到低电位端子，负极端子连接到高电位端子。当几乎没有电流流过管子时，二极管处于截止状态。这种连接称为反向偏置。二极管在反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增加到一定值时，反向电流会急剧增加，二极管将失去其单向导电特性，这种状态称为二极管击穿。激光二极管注入电流必须大于临界电流密度，这与接触面的温度有关，间接影响管材性能，才能满足停留反转条件并发射激光。在高温下工作时，临界电流会增加，从而降低效率，甚至损坏组件。激光二极管应用激光二极管作为最常见的激光产品类型，具有效率高、体积小、寿命长等优点，但其输出功率低（一般小于2mW）、线性度差、单色性差，不利于有线电视系统应用，因为它们不能传输多通道、高性能的模拟信号。基于激光二极管的优势，它们在许多应用领域发挥着重要作用。例如，在双向光接收机的返回模块中，上行传输一般使用量子阱激光二极管作为光源。还广泛应用于计算机上的光驱、激光打印机中的打印头、条码扫描器、激光测距、激光医疗、光通讯、激光指示等小功率光电设备。照明、激光手术、激光焊接和激光武器等大功率设备也有激光二极管。与LED相比，使用不同的光源，激光器比LED更强大，运行速度更快，并且它们还可以以更少的误差传输更远的光。它们也比LED贵得多。 0
2023-2-7 15:35:42　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 什么是PIN二极管 PIN二极管的工作原理及特性 3064 • 二极管的特性是具有什么特性 4244 • 激光二极管的出光特性 675 • 晶体二极管具有什么特性？晶体二极管是如何根据特性分类的？ 1425 • 如何测试激光二极管？ 822 • PN结二极管的工作原理/特性和应用 2297 • 二极管的伏安特性 2 • 触发二极管的工作原理、特性及应用 1216 • 稳压二极管的工作原理、特性及应用 725 • 二极管的工作特性有哪些 88