費森登，R.A.
[拼音]：bandaoti jiguang erjiguan
[英文]：semiconductor laser diode
通過PN接面電注入泵浦的方式實現受激發射的半導體器件。它具有半導體器件的特點：體積小、結構簡單、效率高、能直接調製，但輸出功率、單色性和方向性不如其他鐳射器。
實現受激發射的三個要素是：鐳射材料、粒子數反轉分佈和諧振腔。只有直接帶隙半導體材料才能製造鐳射二極體，包括Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體(GaAs、InP等)及其三元、四元固溶體(Ga1-xAlxAs、In1-xGaxAs1-yPy等)，Ⅳ-Ⅵ族化合物固溶體（Pb1-xSnxTe等）。圖1表示這些材料所產生鐳射的波長範圍。將單晶定向、切割、拋光後，通過擴散或各種外延方法或化學汽相沉積方法等在一定的晶面如 (001)上製成PN接面。利用垂直該面的兩個自然解理面如(110)構成法布里-珀羅諧振腔，便製成通常的鐳射二極體（圖2）。
在PN接面上施加正向偏置，則有電流流過PN接面，即電子由N區注入到P區，而空穴由P區注入到N區。提高偏置電壓，電流增大到某一定值時，就會使有源區材料的導帶中能級上電子佔有的機率大於價帶中相對應能級上電子佔有的機率，從而發生粒子數分佈反轉，能為受激發射提供增益。當增益等於或大於半導體材料本身的吸收損耗和端面漏出損耗時，就能獲得受激發射
式中gth為閾值時的增益，αi為材料內部的吸收損耗，
為端面漏出損耗，L為腔長，R1、R2為兩個端面的反射率。通常g＝βJb，β為增益因子，J為注入電流密度。對於高增益區來說，b＝1，因此得出受激發射的閾值條件為
1962年秋首次研製出 77K下脈衝受激發射的同質結GaAs 鐳射二極體。1964 年將其工作溫度提高到室溫。1969年製造出室溫下脈衝工作的單異質結鐳射二極體，1970年製成室溫下連續工作的 Ga1-xAlxAs/GaAs雙異質結(DH)鐳射二極體。此後，鐳射二極體迅速發展。1975年Ga1-xAlxAs/GaAsDH 鐳射二極體的壽命提高到105小時以上。In1-xGaxAs1-yPy/InP 長波長DH鐳射二極體也取得重大進展，因而推動了光纖通訊和其他應用的發展。此外還出現了由Pb1-xSnxTe等 Ⅳ-Ⅵ族材料製成的遠紅外波長鐳射二極體。
器件結構
在垂直於PN接面方向上有同質結、單異質結、雙異質結、分別限制、大光腔等結構形式；在平行PN接面平面上做成各種條形結構（如電極條形、平面條形、質子轟擊條形、 溝槽襯底條形、 臺階條形、橫結條形、埋藏條形、壓縮條形等）;諧振腔有法布里-珀羅腔、分佈反饋和布喇格反射等形式。用晶格匹配的不同半導體材料製成異質結構，利用它們在禁頻寬度和折射率上的差異，可在垂直PN接面方向上獲得幾乎完全的載流子限制和光學限制。在平行於結方向上的各種條形結構，能將電流集中在一較窄的區域，並提供增益波導或折射率波導。這些結構上的改進使鐳射二極體的效能大為提高。
器件的效能
（1）輸出光功率和輸入電流的關係:L-I特性通常如圖3。電流低於Ith時為自發輻射(熒光)，大於Ith時為受激輻射(鐳射)。Ith為閾值電流。受激發射時曲線的斜率為外微分量子效率。Ith以上和以下時分別發出的鐳射功率同熒光功率之比稱消光比。通常雙異質結鐳射二極體連續工作的Ith為20～100毫安，輸出光功率可達幾十毫瓦，外微分量子效率為20％～60％。
（2）電壓和電流的關係:鐳射二極體的V-I特性同通常的二極體相似，由此可測出鐳射器的串聯電阻，通常為零點幾到幾歐姆。
（3）光譜特性：鐳射二極體有源區禁頻寬Eg(ev)同發射波長的關係為Eg＝1.2398/λ(λ：μm)。多模二極體的譜線半寬一般小於20埃，而單模器件通常小於1埃。
（4）光束髮射角度：由於發光面積較小，因此光束髮散角度較大。通常平行和垂直於PN接面方向上的發散角為10°×50°，最好的約為4°×14°。
（5）溫度特性：閾電流密度滿足 Jth
exp(T/T0)，式中T0為特徵溫度。如Ga1-xAlxAs/GaAs DH鐳射器，T0＝100～150K，In1-xGaxAs1-yPy/InP DH鐳射器，T0＝50～70K。
（6）瞬態特性：鐳射二極體可採用電訊號直接調製，當電源剛接通(脈衝工作或直流工作)時，都可觀測到瞬時振盪、延遲、自脈動等效應，這些與載流子壽命、電子和光子系統的相互關聯、量子散粒效應、增益與損耗的不均勻性以及溫度變化等有關。
（7）噪聲：由於種種原因（如量子漲落、模式跳動等），鐳射二極體在調製應用時會產生量子噪聲、模式分配噪聲、二次諧波噪聲、反射光噪聲等。
（8）可靠性：維持鐳射輸出功率恆定，工作電流提高50％所需時間，或者維持電流恆定而輸出功率下降某一百分比所需時間稱為鐳射器的壽命。壽命與溫度關係為
Ea採用高溫加速老化，就可依照此式推算出室溫下的壽命。
器件的應用
（1）光纖通訊系統中的光源：主要採用波長為0.82～0.90微米的Ga1-xAlxAs/GaAs DH鐳射器和1.3微米、1.55微米的In1-xGaxAs1-yPy/InP DH鐳射器作光源。特別是後者，在光纖中損耗低、色散小，更適於長距離光纖通訊。鐳射二極體常用作發射端和中繼站的電光轉換器、接收端的本機振盪器等。
（2）光碟儲存系統中的寫入和讀出光源：能在光碟介質上儲存或取出大容量資訊。
（3）光纖、探測器引數的測試光源：可用來測量光纖的頻寬、色散、故障點、探測器的響應時間等。
（4）資訊科技方面：可作為鐳射印刷、鐳射掃描器、鐳射感測器、鐳射顯示等的光源。
（5）鉛鹽類Pb1-xCdxS、Pb1-xSnxTe等製成的鐳射二極體，波長範圍2～40微米，並且可調諧，常用來作鐳射光譜儀和大氣汙染監測裝置的光源。
現代採用新結構已製成各種結構的動態單頻鐳射二極體、量子阱鐳射二極體、雙穩態鐳射二極體。鐳射二極體同探測器或場效應電晶體整合在同一襯底上的光整合或光電整合器件也有新進展。
參考書目
H.C.CaseyJr.andH.B.Panish， Heterostructure Lasers， Academic Press，New York，1978.