激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。

 

起源

激光的产生

在讲激光产生机理之前，先讲一下受激辐射。在光辐射中存在三种辐射过程，

一是处于高能态的粒子自发向低能态跃迁，称之为自发辐射;

二是处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为受激辐射;

三是处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁称之为受激吸收。

自发辐射，即使是两个同时从某一高能态向低能态跃迁的粒子，它们发出光的相位、偏振状态、发射方向也可能不同，但受激辐射就不同，当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，发出在频率、相位、偏振状态等方面与外来光子完全相同的光。在激光器中，发生的辐射就是受激辐射，它发出的激光在频率、相位、偏振状态等方面完全一样。任何的受激发光系统，即有受激辐射，也有受激吸收，只有受激辐射占优势，才能把外来光放大而发出激光。而一般光源中都是受激吸收占优势，只有粒子的平衡态被打破，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数(这样情况称为离子数反转)，才能发出激光。

 激光二极管结构示意图

产生激光的三个条件是:实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转-在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件:

P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1

(P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A是介质的损耗系数，exp为常数)，才能输出稳定的激光，另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则

Δф=(2π/λ)2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，

上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度L和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有一定的选频作用。

激光二极管简介

半导体激光二极管的基本结构:垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里--珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。

半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下:

λ = hc/Eg ⑴

式中:h-普朗克常数; c-光速; Eg-半导体的禁带宽度。

上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子-空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光--激光，这就是激光二极管的简单原理。

应用

随着技术和工艺的发展，多层结构。

常用的激光二极管有两种:①PIN光电二极管。它在收到光功率产生光电流时，会带来量子噪声。②雪崩光电二极管。它能够提供内部放大，比PIN光电二极管的传输距离远，但量子噪声更大。为了获得良好的信噪比，光检测器件后面须连接低噪声预放大器和主放大器。

半导体激光二极管的工作原理，理论上与气体激光器相同。

常用参数

⑴波长:即激光管工作波长，可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、
激光二极管
激光二极管
690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

⑵阈值电流Ith :即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。

⑶工作电流Iop :即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。

⑷垂直发散角θ⊥:激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚~40˚左右。

⑸水平发散角θ∥:激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6˚~ 10˚左右。

⑹监控电流Im :即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。

激光二极管在计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头，条形码扫描仪，激光测距、激光医疗，光通讯，激光指示等小功率光电设备中得到了广泛的应用，在舞台灯光、激光手术、激光焊接和激光武器等大功率设备中也得到了应用。

工作原理

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

导电特性

二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。

激光二极管

1·正向特性

在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为"门槛电压"，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V)以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V，硅管约为0.7V)，称为二极管的"正向压降"。

2·反向特性

在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。激光二极管的注入电流必须大于临界电流密度，才能满足居量反转条件而发出激光。临界电流密度与接面温度有关，并且间接影响效益。高温操作时，临界电流提高，效益降低，甚至损坏组件。

激光二极管的简单检测

激光二极管工作时发出的红光波长大约在６００ｎｍ左右，可用于激光打印机、ＣＤ机、条形码阅读器等设备上。激光二极管的符号如附图所示。从图中可知，激光二极管由两部分构成，一部分是激光发射部分ＬＤ，另一部分为激光接收部分ＰＤ。ＬＤ和ＰＤ两部分又有公共端点ｂ，公共端一般同管子的金属外壳相连，所以激光二极管实际上只有三个脚ａ、ｂ、ｃ。检测和判断激光二极管可按如下三个步骤进行。
　　１．区分ＬＤ和ＰＤ。 用万表的Ｒ×１ｋ挡分别测出激光二极管三个引脚两两之间的阻值，总有一次两脚间的阻值大约在几千欧姆左右，这时黑表笔所接的一端是ＰＤ阳极端，红表笔所接的引脚为公共端，剩下的一个引脚为ＬＤ阴极端，这样就区分出了ＰＤ部分（图中的ｂｃ部分）和ＬＤ部分（图中的ａｂ部分）。
　　２．检测ＰＤ部分。 激光二极管的ＰＤ部分实质上是一个光敏二极管，用万用表检测方法如下：用Ｒ×１ｋ挡测其阻值，若正向电阻为几千欧姆，反向电阻为无穷大，初步表明ＰＤ部分是好的；若正向电阻为０或为无穷大，则表明ＰＤ部分已坏。若反向电阻不是无穷大，而有几百千欧或上千千欧的电阻，说明ＰＤ部分已反向漏电，管子质量变差。
　　３．检测ＬＤ部分。  用万用表的Ｒ×１ｋ挡测ＬＤ部分的正向阻值，即黑表笔接公共端ｂ，红表笔接ａ脚，正向阻值应在１０ｋΩ～３０ｋΩ之间，反向阻值应为无穷大。若测得的正向阻值大于５５ｋΩ，反向阻值在１００ｋΩ以下，表明ＬＤ部分已严重老化，使用效果会变差。