半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為激光工作物質(zhì)的激光器。它具有超小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜以及可以高速工作等一系列優(yōu)點(diǎn)。自1962年問(wèn)世，特別是二十世紀(jì)80年代以來(lái)，發(fā)展極為迅速。它是目前光通信領(lǐng)域內(nèi)使用的最重要光源，并且在CD、VCD、DVD播放機(jī)、計(jì)算機(jī)光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、激光打印機(jī)、全息照相、激光準(zhǔn)直、測(cè)距及醫(yī)療等許多方面都獲得了重要應(yīng)用。

半導(dǎo)體激光器是注入式的受激光放大器。雖然它形成激光的必要條件與其它激光器相同，也須滿(mǎn)足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、諧振等條件，但它的激發(fā)機(jī)理和前面討論的幾種激光器截然不同。它的電子躍遷是發(fā)生在半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶中的電子態(tài)和價(jià)帶中的空穴態(tài)之間，而不象原子、分子、離子激光器那樣發(fā)生在兩個(gè)確定的能級(jí)之間。半導(dǎo)體材料中也有受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射過(guò)程。在電流或光的激勵(lì)下，半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子可以獲得能量，躍遷到導(dǎo)帶上，在價(jià)帶中形成了一個(gè)空穴，這相當(dāng)于受激吸收過(guò)程。此外，價(jià)帶中的空穴也可被從導(dǎo)帶躍遷下來(lái)的電子填補(bǔ)復(fù)合。在復(fù)合時(shí)，電子把大約等于E_g的能量釋放出來(lái)，放出一個(gè)頻率為 的光子，這相應(yīng)于自發(fā)輻射或受激輻射。顯然，如果在半導(dǎo)體中能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使得受激輻射大于受激吸收，就可以實(shí)現(xiàn)光放大。進(jìn)一步，如果諧振腔使光增益大于光損耗，就可以產(chǎn)生激光。為了理解半導(dǎo)體激光器的工作原理，首先需要了解一些半導(dǎo)體物理的有關(guān)概念。

原子的能級(jí)對(duì)應(yīng)著原子的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)際上固體中原子之間相距不遠(yuǎn)，由于原子間的相互作用，能級(jí)會(huì)分裂。在一個(gè)具有N個(gè)粒子相互作用的晶體中，每一個(gè)能級(jí)會(huì)分裂成為N個(gè)能級(jí)，其相互間能量差小到10^-22eV數(shù)量級(jí)。因此這彼此十分接近的N個(gè)能級(jí)好象形成一個(gè)連續(xù)的帶，稱(chēng)之為能帶，見(jiàn)圖（1）。

純凈(本征)半導(dǎo)體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對(duì)溫度為零的理想狀態(tài)下，能帶由一個(gè)充滿(mǎn)電子的價(jià)帶和一個(gè)完全沒(méi)有電子的導(dǎo)帶組成，如圖（2）。二者之間是禁帶，那時(shí)半導(dǎo)體是一個(gè)不導(dǎo)電的絕緣體。隨著溫度的升高，部分電子由于熱運(yùn)動(dòng)激發(fā)到導(dǎo)帶中，成為自由電子。同時(shí)價(jià)帶中少了一個(gè)電子，產(chǎn)生一個(gè)空穴，相當(dāng)于一個(gè)與電子電量相同的正電荷。在外電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴都可以運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電，二者都稱(chēng)為載流子。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

圖（1） 固體的能帶                    圖（2） 本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

熱平衡時(shí)，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費(fèi)米分布，能級(jí)E被電子占據(jù)的幾率為

（1）式

其中 為玻爾茲曼常數(shù)， 為絕對(duì)溫度， 叫做費(fèi)米能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)并非實(shí)在的可由電子占據(jù)的能級(jí)，而是半導(dǎo)體能帶的一個(gè)特征參量。它由半導(dǎo)體材料的摻雜濃度和溫度決定，反映電子在半導(dǎo)體內(nèi)能帶上的分布情況。對(duì)于本征半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)在禁帶的中間位置，價(jià)帶能級(jí)低于費(fèi)米能級(jí)同時(shí)導(dǎo)帶能級(jí)高于費(fèi)米能級(jí)。由（1）式可以算出，價(jià)帶中的電子總是比導(dǎo)帶中多。在溫度趨于絕對(duì)零度時(shí)，導(dǎo)帶被電子占據(jù)的幾率為零。

#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#在四價(jià)的半導(dǎo)體晶體材料中，摻以五價(jià)元素取代四價(jià)元素在晶體中的位置，這種摻雜的半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體。若在四價(jià)的半導(dǎo)體晶體材料中摻以三價(jià)元素，這種摻雜的半導(dǎo)體叫做P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中，多出來(lái)的電子不能參與組成共價(jià)鍵，很容易成為自由電子，這使得在導(dǎo)帶的下方靠近導(dǎo)帶的地方形成新的能級(jí)，稱(chēng)為施主能級(jí)。P型半導(dǎo)體中，由于三價(jià)元素少一個(gè)電子，其中一個(gè)共價(jià)鍵出現(xiàn)空穴，電子占據(jù)價(jià)帶的幾率增大，這使得在價(jià)帶的上方靠近價(jià)帶的地方增加出來(lái)新的能級(jí)，稱(chēng)為受主能級(jí)。

雜質(zhì)半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類(lèi)型及摻雜濃度有密切關(guān)系。為了說(shuō)明問(wèn)題，圖（3）給出了溫度極低時(shí)的情況。受主能級(jí)使費(fèi)米能級(jí)向下移動(dòng)（圖（3）(b)），施主能級(jí)使費(fèi)米能級(jí)向上移動(dòng)（圖（3）(d)）。重?fù)诫s時(shí)費(fèi)米能級(jí)甚至移動(dòng)到價(jià)帶（圖（3）(c)）或?qū)В▓D（3）#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#(e)）之中。這里已經(jīng)假設(shè)溫度極低，因此重?fù)诫sP型半導(dǎo)體中低于費(fèi)米能級(jí)的能態(tài)都被電子填滿(mǎn)，高于費(fèi)米能級(jí)的能態(tài)都是空的，價(jià)帶中出現(xiàn)空穴。這種情況叫做P型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。反之，重?fù)诫sN型半導(dǎo)體中低于費(fèi)米能級(jí)的能態(tài)都被電子填滿(mǎn)，盡管溫度極低，導(dǎo)帶中也有自由電子。這種情況叫做N型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。在非平衡條件下還會(huì)出現(xiàn)所謂“雙簡(jiǎn)并半導(dǎo)體”，這時(shí)在半導(dǎo)體中存在兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)，如圖（3）(f)所示（詳見(jiàn)下面的討論）。

圖（3）費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類(lèi)型及摻雜濃度關(guān)系

當(dāng)光照射到圖（3）所示的各種半導(dǎo)體時(shí)，在a—e的五種情況下，半導(dǎo)體中只有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)，在它之上沒(méi)有電子，在它之下已充滿(mǎn)電子，因此不會(huì)發(fā)生電子向沒(méi)有被電子占據(jù)的空態(tài)躍遷，而只會(huì)將外來(lái)光子吸收。在圖（3）f所示的情況下有所不同，兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)使得導(dǎo)帶中有自由電子，價(jià)帶中有空穴。如果外來(lái)光子的能量與上能帶中電子和下能帶中空穴之間的能量差相同，則會(huì)誘導(dǎo)導(dǎo)帶中電子向價(jià)帶中空穴躍遷而發(fā)出一個(gè)同樣的光子。當(dāng)外來(lái)光子的能量大于兩費(fèi)米能級(jí) 和 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#之間的能量差，或者小于導(dǎo)帶最下端的能級(jí)與價(jià)帶最上端的能級(jí)之間的能量差 時(shí)，不會(huì)誘導(dǎo)受激輻射。所以，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光放大的條件是在半導(dǎo)體中存在雙簡(jiǎn)并能帶，并且入射光的頻率滿(mǎn)足

（2）