二极管的发光原理

[导读]激光二极管(Laser Diode，简称LD)是一种通过电流激发产生激光的半导体器件。

激光二极管(Laser Diode，简称LD)是一种通过电流激发产生激光的半导体器件。以下是激光二极管的一些关键概念和特点：

基本原理

激光二极管通过半导体材料的能带结构和受激辐射原理来产生激光。基本步骤包括：

载流子注入：通过施加电压，将电子注入到半导体材料的导带中，同时将空穴注入到价带中。

复合和受激辐射：注入的电子和空穴在活性层中复合，释放出光子。当这些光子与其他电子复合时，会引发更多的受激辐射，从而放大光子数量。

光学反馈和谐振腔：激光二极管通常包含一个谐振腔，用来提供光学反馈，使得光子在腔内来回反射，从而形成相干光输出。

二极管的基础结构与材料

半导体，这种导电性能介于导体与绝缘体之间的物质，是二极管的关键组成部分。铁、金等金属属于导体，而橡胶、玻璃等则属于绝缘体。半导体材料，如硅(Si)，则可以通过控制其导电性来调节电流的流动。此外，它还能在光能和电能之间实现能量的转换。

硅，作为最典型的半导体材料，在自然界中以硅石(SiO2)的形式存在，是一种资源丰富的材料。尽管硅原本是绝缘体，但通过掺杂其他杂质，如硼或磷，可以增加其内部的载流子浓度，进而提升其电导率。这样通过杂质掺杂来增加载流子的半导体被称为杂质半导体。其中，增加自由电子的被称为n型半导体，而增加自由空穴的则被称为p型半导体。

二极管的元件结构是基于p型半导体与n型半导体的连接，即pn结。在二极管中，p型半导体的引脚被称为阳极，而n型半导体的引脚则被称为阴极，电流从阳极流向阴极。

二极管的发光原理

当在pn结元件上施加正向电压时，空穴(带正电)和电子(带负电)会朝向结点方向移动并发生结合。在这一过程中，产生的多余能量会以光能的形式释放，进而实现发光。这一现象被称作“复合发光”。

接下来，我们借助pn结的能带图来详细剖析载流子的移动过程。在未施加偏压时，pn结的状态如图示(左)所示，而施加正向偏压后，其状态则变为图示(右)所示。当pn结受到正向电压的作用时，其处的能量势垒高度会有所降低。随之，n型区中的多数载流子——电子，会穿越这个降低的能量势垒，进入p型区，并与p型区中的多数载流子——空穴发生复合。在这一复合过程中，产生的多余能量会以光能的形式被释放出来。同时，p型区中的空穴也会移动至n型区，并与n型区中的电子复合，同样地，这一复合也会释放出多余的光能。

导带与价带之间的能量差异，即“带隙”，是半导体材料中一个重要的概念。当电子从能量较高的导带跃迁至能量较低的价带，并与空穴结合时，这个带隙的能量会以光子的形式释放，这就是我们所说的半导体发光。这种发光现象在许多应用中发挥着关键作用，如显示屏、照明设备等。

激光二极管，一种基于半导体材料的发光器件，其性能和特性深受所选材料的影响。与普通二极管所采用的硅材料不同，激光二极管更倾向于使用化合物半导体，这显著提高了其发光效率。正是这种选材差异，使得激光二极管在波长、发光效率以及工作温度等方面展现出独特的特性。接下来，我们将深入探讨激光二极管所采用的化合物半导体的作用及其特点。

化合物半导体在激光二极管中的应用

普通二极管元件多采用硅(Si)作为材料，而激光二极管则更倾向于选择化合物半导体。由于硅的发光跃迁概率较低，即电流转变为光的效率不高，因此它并不适合用于激光二极管和LED这类发光器件。相反，激光二极管和LED所采用的发光半导体，被称为“直接跃迁型半导体”，其电子在导带与价带之间的跃迁是直接的，从而提高了发光效率。

直接跃迁与间接跃迁的对比

在半导体中，电子会从能量较高的导带跃迁至能量较低的价带。这种跃迁有两种类型：直接跃迁和间接跃迁。直接跃迁型半导体的电子跃迁过程更为直接，因此发光效率更高;而间接跃迁型半导体的电子则需要经过晶格的辅助才能完成跃迁，其发光效率相对较低。正是这种差异，使得激光二极管在材料选择上更偏向于直接跃迁型半导体，从而确保其具有出色的发光性能。

A)直接跃迁型半导体

在半导体中，当电子从价带跃迁至导带时，如果导带底和价带顶的波数k相同，则该半导体被称为“直接跃迁型半导体”。这种跃迁过程中，电子无需经过晶格的辅助，便能直接释放出带隙Eg的能量，以光子的形式发出，进而跃迁至价带与空穴复合。这使得直接跃迁型半导体具有极高的发光效率，非常适合作为激光二极管和LED的材料。典型的直接跃迁型半导体包括GaAs/AlGaAs、GaAlP/InGaAlP以及GaN/InGaN等化合物半导体。

B)间接跃迁型半导体

相比之下，如果导带底和价带顶的波数k不同，则该半导体被称为“间接跃迁型半导体”。在这种跃迁过程中，电子会发射或吸收声子(晶格振动的量子)，导致波数k发生变化。这种变化使得光子的发射概率降低，从而影响了发光效率。因此，间接跃迁型半导体并不适合用于发光器件。典型的间接跃迁型半导体包括Si和Ge。

波长范围与调整方法

激光二极管和LED所采用的化合物半导体，其发光波长可以根据材料组成和比例进行灵活调整。基本发光波长取决于有源层中半导体的载流子复合时的带隙能量。通过调整带隙能量，可以实现对激光二极管和LED发光波长的精确控制。这种灵活性使得化合物半导体在光电子领域具有广泛的应用前景。

激光二极管和LED等所采用的化合物半导体，是通过在特定半导体材料(即衬底)上，利用外延生长技术制备出pn结的薄膜结晶来制作的。为了确保薄膜晶体的优质堆叠，半导体衬底与各结晶层之间的晶格常数必须相匹配。在材料选择过程中，除了考虑带隙能量这一关键因素外，晶格常数的匹配性也是不可或缺的考量因素。

上图揭示了III-V族化合物半导体中，晶格常数与带隙能量(即波长)之间的紧密联系。通常，带隙能量较高的材料会拥有较小的晶格常数，反之则晶格常数较大。这一图表清晰地展示了III-V族化合物半导体在理论上能够支持从紫外光到可见光，再到红外光的广泛光谱范围。例如，当在GaAs衬底上生长GaInP的pn结时，由于晶格常数的高度匹配，可以获得大约650nm的特定发光波长。

接下来，我们探讨发光颜色与波长的关系。LED的发光波长范围宽广，而激光二极管则能发出波长几乎不变的单一颜色光。世界上存在着各种波长的激光，其中那些肉眼可见的光波被称为“可见光”。其典型的波长包括：

可见光，即人眼可以感知的光谱范围，涵盖了多种材料和相应的发光颜色。激光二极管，作为半导体激光器的核心部件，其关键材料包括砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和磷化铟(InP)。砷化镓是最为常见的激光二极管材料，具有广泛的波长覆盖能力，且半导体制造技术已相当成熟，使得其性能卓越。氮化镓则因能高效开发蓝光LED和高功率UV LED而声名远扬。而磷化铟则被广泛应用于高速通信领域以及近红外激光二极管的制造中。

激光二极管和LED的区别

将激光二极管和LED的区别汇总在了下表中。

由于激光二极管的谱宽是狭窄单一的波长、相位整齐、指向性高的光，因此具备容易控制能量的特征。