激光二極管的結構及其工作原理是什么?

激光二極管的結構圖和符號如圖1所示。

激光二極管的物理結構是在發光二極管的結間安置一層具有光活性的半導體，其端面經過拋光后具有部分反射功能，因而形成一光諧振腔。在正向偏置的情況下，LED結發射出光來并與光諧振腔相互作用，從而進一步激勵從結上發射出單波長的光，這種光的物理性質與材料有關。

半導體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。圖1(b)是激光二極管的代表符號。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等小功率光電設備中得到了廣泛的應用。

激光二極管的簡單原理

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 (1)

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。

隨著技術和工藝的發展，目前實際使用的半導體激光二極管具有復雜的多層結構。圖2為日本三洋公司的紅光半導體激光二極管的結構。圖3為小功率激光管剖視圖，由圖可見，激光芯片貼在用來散熱的熱沉上，在管座上靠近激光芯片下部封有PIN光電二極管。圖4為普通激光二極管的外形，由圖可見，小功率激光管有三條引腳，這是因為在管內還封裝有一個光電二極管，用于監控激光管工作電流。