一、有關半導體的基礎知識
1．能帶
構成半導體激光器的工作物質是半導體晶體。在半導體晶體中，電子的運動狀態和單個原子時的情況大不相同，尤其是其外層電子有了明顯的變化，即所謂的「共有化運動」。
量子力學證明：當N個原子相接近形成晶體時，由於共有化運動，原來單個原子中每一個允許能級要分裂成 N個與原來能級很接近的新能級。在實際的晶體中，由於原子數目N非常大，新能級又與原來能級非常接近，所以兩個新能級間距離很小（相互間的能級差為10-22） ，幾乎可把這一段能級看作是連續的。我們便把這N個能級所具有的能量範圍稱為「能帶」。不同的能帶之間可以有一定的能量間隔，在這個間隔範圍內電子不能處於穩定狀態，實際上形成一個能級禁區，稱為「禁帶」。此間距用禁帶寬度 Ev來衡量。下圖說明了原子中子軌道、能級及能帶之間的對應關係。
在晶體中，由價電子能級分裂而成的能帶叫做「價帶」，如某一能帶被電子填滿，則稱之為「滿帶」，而在未激發情況下無電子填入的能帶叫做「空帶』，若價帶中的電子受激而進入空帶，則此空帶稱為「導帶」，同時，價帶上由於價電 子激發到導帶后留下一些空著的能級稱為「空穴」。 「價帶」 和「導帶」之間是「禁帶」。
在純凈的、不含雜質的半導體中，由於熱運動而產生的自由電子和空穴數量很少。這時，半導體是一個不導電的絕緣體。但如果半導體中摻入雜質，情況就不同了。如四價半導體中摻入五價半導體，就會在導帶下形成雜質能級。雜質能級上電子很容易轉移至導帶上去，這種雜質稱為施主。摻施主雜質的半導體稱為電子型半導體或N型半導體。而如果我們在四價半導體中摻入三價元素，則會在價帶上方形成受主雜質能級，價帶上的電子可跑到受主能級上去，從而在價帶上產生許多空穴。這種半導體稱為空穴型半導體或P型半導體。
2．電子和空穴的統計分佈
統計物理學指出：熱平衡時，電子在能帶中的分佈不再服從玻爾茲曼分佈，而服從費米分佈，一個電子佔據能量為E的能級的幾率為
由上式可見，對於某一溫度T，能級E上的電子佔據率唯一地由費米能級EF所確定，因此可以把EF視作電子填充能級水平的一把「尺子」。
3.雜質半導體中費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度有密切關係。為了說明問題，圖(5-25)給出了溫度極低時的情況。
①在未摻雜質的本徵型半導體中，費米能級居于禁帶中央，導帶內的電子或價帶內的空穴是非簡併化分佈(圖a)。
②在輕摻雜P型半導體中，受主能級使費米能級向下移動(圖b);輕摻雜N型半導體中，施主能級使費米能級向上移動(圖d);
③在重摻雜P型半導體中，費米能級向下移到價帶中，低於費米能級的能帶被電子填滿，高於費米能級的能態都是空的，導帶中出現空穴——P型簡併半導體 (圖c);
④在重摻雜N型半導體中，費米能級向上移到導帶中，低於費米能級的能帶被電子填滿，高於費米能級的能態都是空的，導帶中也有自由電子——N型簡併半導體 (圖e);
⑤雙簡併半導體——半導體中存在兩個費米能級。 (圖f );
兩個費米能級使得導帶中有自由電子；價帶中有空穴。
4.在半導體中產生光放大的條件是在半導體中存在雙簡併能帶
(圖a—e )中的情況都只有一個費米能級，在它上面沒有有自由電子，在它下面已經被電子充滿，不可能發生電子躍遷，只能將外來光子吸收。(圖f )中的情況都只有兩費米能級，導帶有自由電子，價帶中有空穴，當入射光的頻率滿足時，外來光子會誘導導帶中的自由電子向價帶空穴躍遷而發出一個同樣的光子。
