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年問世，特別是二十世紀(jì)80年代以來，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)于受激吸收過程。此外，價(jià)帶中的空穴也可被從導(dǎo)帶躍遷下來的電子填補(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，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，稱之為能帶，見圖（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)充滿電子的價(jià)帶和一個(gè)完全沒有電子的導(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)帶的地方增加出來新的能級(jí)，稱為受主能級(jí)。

雜質(zhì)半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系。為了說明問題，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，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，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（詳見下面的討論）。

圖（3）費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(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)，在它之上沒有電子，在它之下已充滿電子，因此不會(huì)發(fā)生電子向沒有被電子占據(jù)的空態(tài)躍遷，而只會(huì)將外來光子吸收。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足

（2）