激光二極管本質上是一個半導體二極管，按照PN結材料是否相同，可以把激光二極管分為同質結、單異質結（SH）、雙異質結（DH）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優點，是目前市場應用的主流產品。

 

起源

激光的產生

在講激光產生機理之前，先講一下受激輻射。在光輻射中存在三種輻射過程，

一是處于高能態的粒子自發向低能態躍遷，稱之為自發輻射;

二是處于高能態的粒子在外來光的激發下向低能態躍遷，稱之為受激輻射;

三是處于低能態的粒子吸收外來光的能量向高能態躍遷稱之為受激吸收。

自發輻射，即使是兩個同時從某一高能態向低能態躍遷的粒子，它們發出光的相位、偏振狀態、發射方向也可能不同，但受激輻射就不同，當位于高能態的粒子在外來光子的激發下向低能態躍遷，發出在頻率、相位、偏振狀態等方面與外來光子完全相同的光。在激光器中，發生的輻射就是受激輻射，它發出的激光在頻率、相位、偏振狀態等方面完全一樣。任何的受激發光系統，即有受激輻射，也有受激吸收，只有受激輻射占優勢，才能把外來光放大而發出激光。而一般光源中都是受激吸收占優勢，只有粒子的平衡態被打破，使高能態的粒子數大于低能態的粒子數(這樣情況稱為離子數反轉)，才能發出激光。

 激光二極管結構示意圖

產生激光的三個條件是:實現粒子數反轉、滿足閾值條件和諧振條件。產生光的受激發射的首要條件是粒子數反轉，在半導體中就是要把價帶內的電子抽運到導帶。為了獲得離子數反轉，通常采用重摻雜的P型和N型材料構成PN結，這樣，在外加電壓作用下，在結區附近就出現了離子數反轉-在高費米能級EFC以下導帶中貯存著電子，而在低費米能級EFV以上的價帶中貯存著空穴。實現粒子數反轉是產生激光的必要條件，但不是充分條件。要產生激光，還要有損耗極小的諧振腔，諧振腔的主要部分是兩個互相平行的反射鏡，激活物質所發出的受激輻射光在兩個反射鏡之間來回反射，不斷引起新的受激輻射，使其不斷被放大。只有受激輻射放大的增益大于激光器內的各種損耗，即滿足一定的閾值條件:

P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1

(P1、P2是兩個反射鏡的反射率，G是激活介質的增益系數，A是介質的損耗系數，exp為常數)，才能輸出穩定的激光，另一方面，激光在諧振腔內來回反射，只有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。時，才能在輸出端產生加強干涉，輸出穩定激光。設諧振腔的長度為L，激活介質的折射率為N，則

Δф=(2π/λ)2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，

上式可化為f=qc/2NL該式稱為諧振條件，它表明諧振腔長度L和折射率N確定以后，只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩定的激光。這說明諧振腔對輸出的激光有一定的選頻作用。

激光二極管簡介

半導體激光二極管的基本結構:垂直于PN結面的一對平行平面構成法布里--珀羅諧振腔，它們可以是半導體晶體的解理面，也可以是經過拋光的平面。其余兩側面則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

半導體中的光發射通常起因于載流子的復合。當半導體的PN結加有正向電壓時，會削弱PN結勢壘，迫使電子從N區經PN結注入P區，空穴從P區經過PN結注入N區，這些注入PN結附近的非平衡電子和空穴將會發生復合，從而發射出波長為λ的光子，其公式如下:

λ = hc/Eg ⑴

式中:h-普朗克常數; c-光速; Eg-半導體的禁帶寬度。

上述由于電子與空穴的自發復合而發光的現象稱為自發輻射。當自發輻射所產生的光子通過半導體時，一旦經過已發射的電子-空穴對附近，就能激勵二者復合，產生新光子，這種光子誘使已激發的載流子復合而發出新光子現象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會形成和熱平衡狀態相反的載流子分布，即粒子數反轉。當有源層內的載流子在大量反轉情況下，少量自發輻射產生的光子由于諧振腔兩端面往復反射而產生感應輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對某一頻率具有增益。當增益大于吸收損耗時，就可從PN結發出具有良好譜線的相干光--激光，這就是激光二極管的簡單原理。

應用

隨著技術和工藝的發展，多層結構。

常用的激光二極管有兩種:①PIN光電二極管。它在收到光功率產生光電流時，會帶來量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內部放大，比PIN光電二極管的傳輸距離遠，但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比，光檢測器件后面須連接低噪聲預放大器和主放大器。

半導體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。

常用參數

⑴波長:即激光管工作波長，可作光電開關用的激光管波長有635nm、650nm、670nm、
激光二極管
激光二極管
690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

⑵閾值電流Ith :即激光管開始產生激光振蕩的電流，對一般小功率激光管而言，其值約在數十毫安，具有應變多量子阱結構的激光管閾值電流可低至10mA以下。

⑶工作電流Iop :即激光管達到額定輸出功率時的驅動電流，此值對于設計調試激光驅動電路較重要。

⑷垂直發散角θ⊥:激光二極管的發光帶在垂直PN結方向張開的角度，一般在15˚~40˚左右。

⑸水平發散角θ∥:激光二極管的發光帶在與PN結平行方向所張開的角度，一般在6˚~ 10˚左右。

⑹監控電流Im :即激光管在額定輸出功率時，在PIN管上流過的電流。

激光二極管在計算機上的光盤驅動器，激光打印機中的打印頭，條形碼掃描儀，激光測距、激光醫療，光通訊，激光指示等小功率光電設備中得到了廣泛的應用，在舞臺燈光、激光手術、激光焊接和激光武器等大功率設備中也得到了應用。

工作原理

晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。

當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。

當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。

當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現象。

導電特性

二極管最重要的特性就是單方向導電性。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。下面通過簡單的實驗說明二極管的正向特性和反向特性。

激光二極管

1·正向特性

在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值(這一數值稱為"門檻電壓"，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V)以后，二極管才能直正導通。導通后二極管兩端的電壓基本上保持不變(鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V)，稱為二極管的"正向壓降"。

2·反向特性

在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止狀態，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，這種狀態稱為二極管的擊穿。激光二極管的注入電流必須大于臨界電流密度，才能滿足居量反轉條件而發出激光。臨界電流密度與接面溫度有關，并且間接影響效益。高溫操作時，臨界電流提高，效益降低，甚至損壞組件。

激光二極管的簡單檢測

激光二極管工作時發出的紅光波長大約在６００ｎｍ左右，可用于激光打印機、ＣＤ機、條形碼閱讀器等設備上。激光二極管的符號如附圖所示。從圖中可知，激光二極管由兩部分構成，一部分是激光發射部分ＬＤ，另一部分為激光接收部分ＰＤ。ＬＤ和ＰＤ兩部分又有公共端點ｂ，公共端一般同管子的金屬外殼相連，所以激光二極管實際上只有三個腳ａ、ｂ、ｃ。檢測和判斷激光二極管可按如下三個步驟進行。
　　１．區分ＬＤ和ＰＤ。 用萬表的Ｒ×１ｋ擋分別測出激光二極管三個引腳兩兩之間的阻值，總有一次兩腳間的阻值大約在幾千歐姆左右，這時黑表筆所接的一端是ＰＤ陽極端，紅表筆所接的引腳為公共端，剩下的一個引腳為ＬＤ陰極端，這樣就區分出了ＰＤ部分（圖中的ｂｃ部分）和ＬＤ部分（圖中的ａｂ部分）。
　　２．檢測ＰＤ部分。 激光二極管的ＰＤ部分實質上是一個光敏二極管，用萬用表檢測方法如下：用Ｒ×１ｋ擋測其阻值，若正向電阻為幾千歐姆，反向電阻為無窮大，初步表明ＰＤ部分是好的；若正向電阻為０或為無窮大，則表明ＰＤ部分已壞。若反向電阻不是無窮大，而有幾百千歐或上千千歐的電阻，說明ＰＤ部分已反向漏電，管子質量變差。
　　３．檢測ＬＤ部分。  用萬用表的Ｒ×１ｋ擋測ＬＤ部分的正向阻值，即黑表筆接公共端ｂ，紅表筆接ａ腳，正向阻值應在１０ｋΩ～３０ｋΩ之間，反向阻值應為無窮大。若測得的正向阻值大于５５ｋΩ，反向阻值在１００ｋΩ以下，表明ＬＤ部分已嚴重老化，使用效果會變差。