半導體(ti) 激光器是以半導體(ti) 材料作為(wei) 激光工作物質的激光器。它具有超小型、高效率、結構簡單、價(jia) 格便宜以及可以高速工作等一係列優(you) 點。自1962年問世，特別是二十世紀80年代以來，發展極為(wei) 迅速。它是目前光通信領域內(nei) 使用的最重要光源，並且在CD、VCD、DVD播放機、計算機光盤驅動器、激光打印機、全息照相、激光準直、測距及醫療等許多方麵都獲得了重要應用。

半導體(ti) 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(yu) 其它激光器相同，也須滿足粒子數反轉、諧振等條件，但它的激發機理和前麵討論的幾種激光器截然不同。它的電子躍遷是發生在半導體(ti) 材料導帶中的電子態和價(jia) 帶中的空穴態之間，而不象原子、分子、離子激光器那樣發生在兩(liang) 個(ge) 確定的能級之間。半導體(ti) 材料中也有受激吸收、受激輻射和自發輻射過程。在電流或光的激勵下，半導體(ti) 價(jia) 帶中的電子可以獲得能量，躍遷到導帶上，在價(jia) 帶中形成了一個(ge) 空穴，這相當於(yu) 受激吸收過程。此外，價(jia) 帶中的空穴也可被從(cong) 導帶躍遷下來的電子填補複合。在複合時，電子把大約等於(yu) E_g的能量釋放出來，放出一個(ge) 頻率為(wei) 的光子，這相應於(yu) 自發輻射或受激輻射。顯然，如果在半導體(ti) 中能夠實現粒子數反轉，使得受激輻射大於(yu) 受激吸收，就可以實現光放大。進一步，如果諧振腔使光增益大於(yu) 光損耗，就可以產(chan) 生激光。為(wei) 了理解半導體(ti) 激光器的工作原理，首先需要了解一些半導體(ti) 物理的有關(guan) 概念。

原子的能級對應著原子的不同運動狀態。實際上固體(ti) 中原子之間相距不遠，由於(yu) 原子間的相互作用，能級會(hui) 分裂。在一個(ge) 具有N個(ge) 粒子相互作用的晶體(ti) 中，每一個(ge) 能級會(hui) 分裂成為(wei) N個(ge) 能級，其相互間能量差小到10^-22eV數量級。因此這彼此十分接近的N個(ge) 能級好象形成一個(ge) 連續的帶，稱之為(wei) 能帶，見圖（1）。

純淨(本征)半導體(ti) 材料，如單晶矽、鍺等，在絕對溫度為(wei) 零的理想狀態下，能帶由一個(ge) 充滿電子的價(jia) 帶和一個(ge) 完全沒有電子的導帶組成，如圖（2）。二者之間是禁帶，那時半導體(ti) 是一個(ge) 不導電的絕緣體(ti) 。隨著溫度的升高，部分電子由於(yu) 熱運動激發到導帶中，成為(wei) 自由電子。同時價(jia) 帶中少了一個(ge) 電子，產(chan) 生一個(ge) 空穴，相當於(yu) 一個(ge) 與(yu) 電子電量相同的正電荷。在外電場的作用下，導帶中的電子和價(jia) 帶中的空穴都可以運動而導電，二者都稱為(wei) 載流子。#p#分頁標題#e#

圖（1） 固體(ti) 的能帶                    圖（2） 本征半導體(ti) 的能帶結構

熱平衡時，電子在能帶中的分布不再服從(cong) 玻爾茲(zi) 曼分布，而服從(cong) 費米分布，能級E被電子占據的幾率為(wei)

（1）式

其中 為(wei) 玻爾茲(zi) 曼常數， 為(wei) 絕對溫度， 叫做費米能級。費米能級並非實在的可由電子占據的能級，而是半導體(ti) 能帶的一個(ge) 特征參量。它由半導體(ti) 材料的摻雜濃度和溫度決(jue) 定，反映電子在半導體(ti) 內(nei) 能帶上的分布情況。對於(yu) 本征半導體(ti) ，費米能級在禁帶的中間位置，價(jia) 帶能級低於(yu) 費米能級同時導帶能級高於(yu) 費米能級。由（1）式可以算出，價(jia) 帶中的電子總是比導帶中多。在溫度趨於(yu) 絕對零度時，導帶被電子占據的幾率為(wei) 零。

#p#分頁標題#e#在四價(jia) 的半導體(ti) 晶體(ti) 材料中，摻以五價(jia) 元素取代四價(jia) 元素在晶體(ti) 中的位置，這種摻雜的半導體(ti) 叫做N型半導體(ti) 。若在四價(jia) 的半導體(ti) 晶體(ti) 材料中摻以三價(jia) 元素，這種摻雜的半導體(ti) 叫做P型半導體(ti) 。N型半導體(ti) 中，多出來的電子不能參與(yu) 組成共價(jia) 鍵，很容易成為(wei) 自由電子，這使得在導帶的下方靠近導帶的地方形成新的能級，稱為(wei) 施主能級。P型半導體(ti) 中，由於(yu) 三價(jia) 元素少一個(ge) 電子，其中一個(ge) 共價(jia) 鍵出現空穴，電子占據價(jia) 帶的幾率增大，這使得在價(jia) 帶的上方靠近價(jia) 帶的地方增加出來新的能級，稱為(wei) 受主能級。

雜質半導體(ti) 中費米能級的位置與(yu) 雜質類型及摻雜濃度有密切關(guan) 係。為(wei) 了說明問題，圖（3）給出了溫度極低時的情況。受主能級使費米能級向下移動（圖（3）(b)），施主能級使費米能級向上移動（圖（3）(d)）。重摻雜時費米能級甚至移動到價(jia) 帶（圖（3）(c)）或導帶（圖（3）#p#分頁標題#e#(e)）之中。這裏已經假設溫度極低，因此重摻雜P型半導體(ti) 中低於(yu) 費米能級的能態都被電子填滿，高於(yu) 費米能級的能態都是空的，價(jia) 帶中出現空穴。這種情況叫做P型簡並半導體(ti) 。反之，重摻雜N型半導體(ti) 中低於(yu) 費米能級的能態都被電子填滿，盡管溫度極低，導帶中也有自由電子。這種情況叫做N型簡並半導體(ti) 。在非平衡條件下還會(hui) 出現所謂“雙簡並半導體(ti) ”，這時在半導體(ti) 中存在兩(liang) 個(ge) 費米能級，如圖（3）(f)所示（詳見下麵的討論）。

圖（3）費米能級的位置與(yu) 雜質類型及摻雜濃度關(guan) 係

當光照射到圖（3）所示的各種半導體(ti) 時，在a—e的五種情況下，半導體(ti) 中隻有一個(ge) 費米能級，在它之上沒有電子，在它之下已充滿電子，因此不會(hui) 發生電子向沒有被電子占據的空態躍遷，而隻會(hui) 將外來光子吸收。在圖（3）f所示的情況下有所不同，兩(liang) 個(ge) 費米能級使得導帶中有自由電子，價(jia) 帶中有空穴。如果外來光子的能量與(yu) 上能帶中電子和下能帶中空穴之間的能量差相同，則會(hui) 誘導導帶中電子向價(jia) 帶中空穴躍遷而發出一個(ge) 同樣的光子。當外來光子的能量大於(yu) 兩(liang) 費米能級 和 #p#分頁標題#e#之間的能量差，或者小於(yu) 導帶最下端的能級與(yu) 價(jia) 帶最上端的能級之間的能量差 時，不會(hui) 誘導受激輻射。所以，在半導體(ti) 中產(chan) 生光放大的條件是在半導體(ti) 中存在雙簡並能帶，並且入射光的頻率滿足

（2）