半导体发光二极管LED和半导体激光器LD的结构、工作原理是什么？它们的特性差别是什么？

它们的结构简单说就是三明治的夹心结构，中间的夹心是有源区。

二者的结构上是相似的，但是LED没有谐振腔，LD有谐振腔。

LD工作原理是基于受激辐射、LED是基于自发辐射。

LD发射功率较高、光谱较窄、直接调制带宽较宽，而LED发射功率较小、光谱较宽、直接调制

带宽较窄。

激光器的工作存在与普通光源不同之处在于，它同时需要激光工作物质（这在半导体激光二极管LD中，激光工作物质即为半导体材料），泵浦（即外加的能量源），谐振腔。

LD和LED的工作时，其体系结构中都存在半导体工作物质和泵浦源，唯一不同的是，LD在其外层通过自然解理形成一重谐振腔，该谐振腔有一定的发光门限条件（即阈值条件）当达到这个条件是，激光器才开始粒子数反转受激发光。当LD的驱动还没达到阈值条件时，它的发光机理其实和LED是没有明显区别的。

很多人会问sled光源是什么东西？SLED光源是专门为了传感、光纤螺旋和实验室等这些特殊的领域所专门设计的超光源宽带。SLED光源是由半导体发光器件主要包括发光二极管，也就是人们常说的LED、数码管和显示屏等。但归根结底，这一系列的发光器件都可以被称为发光二极管。sled在生活中的应用已经无处不在，路边的广告牌、电视、液晶屏都可以见到它的身影。

一、SLED光源概述

SLED光源其相对于一般的宽带光源具有输出功率高、覆盖光谱范围宽等特点。该产品具有台式(供实验室应用)和模块式(供工程应用)。光源核心器件采用3dB带宽达40nm以上的特殊高输出功率SLED，经过独特的电路整合，可以在一个设备内放置多只SLED来达到输出谱线的平坦化。独特的ATC和APC电路通过控制SLED的输出保证了输出功率和谱线的稳定。通过调节APC，可在一定范围内调节输出功率。简便和智能的 *** 作与远程控制。

二、SLED发光原理

SLED光源的辐射特性介乎半导体激光器与半导体发光二极管之间，随着陀螺、光相干层析成像(OCT)、分布式光纤传感、白光干涉仪的发展，SLED衍生出多个系列产品，划分的依据包括光源覆盖的波段范围、光波偏振特性等。特别是随着干涉型光纤传感器的发展，光源的偏振特性受到更为广泛的关注，按照光源的偏振特性，SLED光源向两个极端发展，亦即高偏振与低偏振SLED光源。

三、SLED光源的特点

宽光谱范围一般在600~1600nm左右，中心波长可以自己选择，功率高但是稳定度极强，具有极好的光谱平坦度，并且 器件、模块、台式也可以由自己任意选择。 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化镓)、 GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。

SLED的出现为生活带来了不少便利，它的应用也是随处可见，比如光纤传感系统、无源器件制作和测试、光纤陀螺、光测试仪表、国防军事研究等各处都可以见到SLED光源的用处。这一项发明不仅遵循国家的可持续发展，更是起到了节能环保的作用。这一项技术的方面很好的贯彻了国家的可持续发展，也为很多商家店家带来了便利。

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半导体光源3——半导体激光器的结构、工作原理和工作特性

Nikki

半导体激光器的结构、工作原理和工作特性

半导体的基本概念

（1） 本征半导体的能带分布

本征半导体就是指没有任何外来杂质的理想半导体。

由于半导体本身是固体，原子排列紧密，使得电子轨道相互重叠，从而使半导体的分立能级形成了能带。

本证半导体的能带分布从上到下依次为导带、（禁带）、价带、满带。

满带：电子填充能带时，总是从能量最低的能带向上填充，能量最低的满带被电子占满不能移动，电子移动形成电流，故满带中的电子不起导电作用。

价带：可能被电子占满，也可能被占据一部分。

禁带Eg：禁止电子在此区域停留，但可以穿越此区域。由于本征半导体是一个统一的热平衡系统，我们知道，对一个物质来说，如果是一个统一的热平衡系统的话，它就有一个费米能级Ef。对本征半导体这种材料，它的费米能级处于导带和价带之间的禁带区域中。

导带：其中的电子具有导电作用（空间大，电子可以自由移动）。

（2） P型半导体和N型半导体的形成

如果向本征半导体内掺入不同杂质元素，则相当于给半导体材料提供导电的电子或空穴。

将向本征半导体材料掺入提供电子的杂质元素后而形成的半导体材料称为N型半导体，它属于电子导电型；

将向本征半导体材料掺入提供空穴的杂质元素后而形成的半导体材料称为P型半导体，它属于空穴导电型。

（3） P-N结的形成

当P型半导体和N型半导体结合在一起时，即形成P-N结。由于相互间的扩散作用，使得靠近界面的地方，N区剩下带正电的离子，P区剩下带负电的离子，在结区形成空间电荷区。

由于空间电荷区的存在，出现了一个由N指向P的电场，称为内建电场。

在内建电场的作用下，由于电子向P区移动，在结区内，使得P区的电子电位能相对于N区提高。（电子点位能越高，实际指的是越负）

作为半导体材料，我们说其有三个能带，导带、（禁带）、价带、满带。按上图所示，粉色线以上是导带，绿色线以下是价带，再往下是满带，绿色线和粉色线之间的区域是禁带。

由于内建电场的作用下， P区的电子电位高于N区，此时的P-N结是一个热平衡系统，会有一个统一的费米能级，就是图中所示的虚线，在N型半导体中，费米能级在粉色线以上，在P型半导体中，费米能级在价带中。

根据费米能级的意义，其指的是物质中粒子分布情况的一个参量，比费米能级高的导带中粒子数少，而比费米能级低的导带中粒子数多，禁带中不存在电子。由此形成了P-N结的能带分布。

但是，此时P-N结的能带分布仍然是一个正常的物质分布状态，并没有被激活使之处于粒子数的反转分布状态，所以还不能发激光。

激活：当给P-N结外加正向偏压（即P接正、N接负）后，抵消了一部分内建电场的作用，P区的空穴和N区的电子不断注入P-N结，破坏了原来的热平衡状态，在P-N结出现了两个费米能级。此时，N型半导体中的费米能级还是在导带里，而P型半导体的费米能级还是在价带以下。

此时，在P-N结中（即中间区域），导带中低于费米能级的粒子数多，而价带中高于费米能级的粒子数少。如果把P-N结作为一个统一的整体，对P-N结来说，高能级的电子数反而多，低能级的电子数反而少，处于粒子数的反转分布状态。此时的P-N结就被激活了，这时候，如果外来的光子一激发，就会出现受激辐射的过程大于受激吸收的过程，从而实现光的放大。

半导体激光器的工作原理

当P-N结外加正向偏压足够大时，将使得结区处于粒子数的反转分布状态，在外来光子的激发下，即出现受激辐射＞受激吸收→产生光的放大

被放大的光在由P-N结构成的光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成）中来回反射，不断增强，当满足阈值条件（不断放大的光要能抵消损耗，才有多余的光输出形成激光，G=α）后可发出激光。

半导体激光器的结构

用半导体材料作为激活物质的激光器，称为半导体激光器。

在半导体激光器中，从光振荡的形式上来看，主要有两种方式构成的激光器：

（1） 用天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀罗谐振腔），称为F-P腔激光器；

F-P腔激光器从结构上又可分为：

1、 同质结半导体激光器

是一种结构最简单的半导体激光器，其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。它不能在室温下连续工作，只有异质结半导体激光器才能进入实用。

注：“结”是由不同的半导体材料制成的。

2、 单异质结半导体激光器

3、 双异质结半导体激光器

（2） 分布反馈型（DFB）激光器。

半导体激光器的工作特性

1、 阈值特性

对于半导体激光器来说，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。

阈值特性可以用输入输出特性曲线进行表示。我们知道，激光器是将电信号变为光信号的器件，因此它的输入我们可以用工作电流来表示，输出可以用输出光功率来表示。

在转换过程中，当我们给半导体激光器加入电流时，这时候是可以发光的，但是这时候的光比较弱。如果我们继续增大工作电流，当增加到某一个值的时候，输出光功率会突然增加，也就是说，它有一个拐点，从发出比较弱的光到发出比较强的光中间有一个拐点，这个拐点，我们就称为阈值电流。这个阈值电流是用来衡量激光器什么时候发激光的一个电流值，如果外加正向电流小于阈值电流，这时候激光器也会发光，但是发出来的光很弱，属于荧光，只有当外加正向电流超过阈值电流，这时候激光器发出来的光才属于激光。

为了使光纤通信系统稳定可靠地工作，It越小越好。

2、 光谱特性

当I＜It，荧光，光谱宽，光强弱

当I＞It，激光，光谱窄（光谱窄，所包含的频率成分少，把这样的光注入到光纤中传输时，产生的色散就会减小，色散小了信号的失真也小，更有利于提高传输特性），光强强（信号传输可以更远）

单模激光器

发出的激光是单纵模，它所对应的的谱线只有一根谱线。

多模激光器

发出的集光是多纵模，对应的是多谱线。

根据谐振频率的公式 ，q取一个值的时候对应的频率称为单纵模，而多纵模是会同时发出多个q对应的频率，很显然单模激光器的特性会比多模好。

单模激光器与多模激光器的输出光谱图

一般，在观测激光器光谱特性时，光谱曲线最高点所对应的波长为中心波长，而比最高点功率低3dB时曲线上的宽度为谱线宽度。

3、 温度特性

激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。

当温度增加时，阈值电流增加，输出光功率下降

当温度降低时，阈值电流下降，输出光功率上升

为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用各种自动温度控制电路来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。

同时，随着使用时间的增加，阈值电流也会逐渐增大。

4、 转换效率

半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件。

衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示：

功率转换效率 定义为：输出光功率与消耗的电功率之比。

其中，R——是与激光器的内部量子效率、激光波长和模式损耗有关的常数

V——是工作电压

——是阈值电流

I——是工作电流

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