众所周知，Zigbee是一种网络传输协议。在生活中，我们也常常听到Zigbee字眼。对于Zigbee网络，小编在前文中有所介绍。为增进大家对Zigbee网络的认识，本文将对Zigbee的三种网络架构加以详解。如果你对Zigbee网络具...
存储，顾名思义，即用于存储数据。对于存储，小编在上文中对云存储结构、云存储系统组成有所介绍。为继续增进大家对存储的了解，本文将对组合式存储予以阐述。如果你对存储抑或是组合式存储具有兴趣，不妨继续往下...
01 物理定律限制 保证CAN通信安全最大的特点是它的发送错误自监测要求：发送器将要发送的位电平与总线上检测到的位电平进行比较。如下图绿色字。 这使得所有发送回路必须是带反馈功能的。即发送节点发出一个数据位，传播到最远的接收节点，等待接收节点应答一个数据位，再传播到发送端。电信号在这个回路上传播是有时间的。物理学研究结果，铜线中的电信号传播速度大约为2.310(8次方)m/s。 那么，对于40米长的电缆，来回有5ns/m × 40m × 2 = 400ns*的延迟，加上***1.25倍***的设计余量，就是**400ns1.25=500ns***，也就是最大2Mbps。如果是20米长的电缆，最大4Mbps。但是电缆太短，通信系统的空间规模就越小。考虑CAN的使用环境，最大按40ms设计。 02 时钟源振荡器频率限制 按设计tbit=8Tq,最小的PSEG1=2, PSEG2=2, PTS=4tbit计算，如果最大波特率1MHz, 振荡器频率≥8×1MHz= 8MHz。如果最大波特率2MHz, 振荡器频率≥8×2MHz=16MHz。可见，波特率要求越高，时钟源振荡器频率也要越高。 03 时钟源振荡器频率误差的限制 一项新技术能否普及，成本是很关键的因素。为了节省线缆成本，CAN通信采用异步传输方式，时钟信号由网络上每个ECU自己承担。为了保证收发时序的同步，所有时钟信号的频率误差必须在一定范围内。理论上，通信速率越高，每个位的时间越短，则时钟频率也要越高，且误差越小。首先，CAN在设计之初就排除了频率误差较大的RC振荡器（误差在1%以上）。剩下的有陶瓷谐振器和晶体谐振器（俗称晶振），晶振的频率误差更低但是价格也贵。 “石英晶体振荡器的核心元件是石英晶体谐振器。陶瓷振荡器的核心元件是陶瓷谐振器。石英晶体谐振器的频率稳定度高达百万分之几（ppm），做成振荡器其频率稳定度可达-6量级。如果是温补振荡器也可达-7量级。如果是恒温振荡器可做到-8~-9量级，多层恒温振荡器更可达到-9量级。做为系统时钟，可以达到几百年不差一秒。用作导弹或航天中，可做到飞行上万公里，误差不到一米。而陶瓷谐振器频率稳定度只有千分之几。与石英晶体谐振器比显然差了很多。但陶瓷谐振器的特点是起振容易，且价格低廉。用在对时钟要求不太高的电路中比石英晶体谐振器在性价比上有优势。” 根据ISO11898-1-2003标准描述，选用N位填充时，频率误差df公式如下，式1)，分母中的13意思是选择5位填充，2*(N+1)+1=2*(5+1)+1。 可见填充位的位数N越大，对振荡器的精度要求越高。 分析一下：设计tbit=8Tq,最小的PSEG1=2, PSEG2=2, PTS=4,带入公式1，df≤2/(2*(13*8-2)=0.98%=9800ppm。 可见，对于这个误差陶瓷谐振器完全满足。 04 总线传输延迟的考虑 在第一个原因里只考虑了总线上信号的传播延迟，事实上发送单元，接收单元的芯片处理信号本身也要时间。则按照单程 5ns/m × 40m = 200ns的时间还不够。按照传播延迟通常有2个Tq考虑，tbit=8Tq,最小的PSEG1=2, PSEG2=2, PTS=4, 对于1Mbps, Tq=125us, 2Tq=250us 对于2Mbps, Tq=62.5us,2Tq=125us 显然，1MHz的波特率能覆盖住这个传输延迟时间。 以下，ISO11898-5-2007标准限制了这个最大时间是255ns。 弄明白了嘛，以上四个原因说明了，CAN2.0 最大波特率是1Mbps
电感耦合等离子体刻蚀 磷化铟的方法 磷化铟（InP）是一种非常重要的基础材料，用于制造许多用于光通信应用的光电器件。对于许多光子器件的制造干法蚀刻通常对于获得精确的尺寸和高度各向异性的结构轮廓至关重要。不同的化学物质，如CH4/H2、Cl2（含不同添加剂）、SiCl、BCl3和N2/H2，可用于蚀刻InP。 最广泛使用的刻蚀工艺是Cl2和CH4。 化学物质｜Cl2 对于氯基Cl2/BCl3工艺，避免了聚合物的形成，大大提高了蚀刻速率，但需要将基板温度提高到200°C左右或更高，以提高蚀刻产物的挥发性，这将导致额外的成本和工艺时间，并将蚀刻掩模限制在介电材料或金属上（光致抗蚀剂不能在如此高的温度下使用）。因此，我们希望优化基于Cl2的工艺，以在室温下（即无需有意加热）实现合理的蚀刻速率和表面质量。 由于用Cl2蚀刻InP，生成 InClx产物在室温下的不挥发性，刻蚀表面往往很粗糙。 而CH4和In之间形成的产物即使在低温下也会挥发，因此有了CH4工艺，以降低表面粗糙度。 化学物质｜CH4 添加H2以改善磷去除并使蚀刻表面平滑，CH4/H2工艺产生较低的蚀刻速率（150°C约250 nm/min）（可能有聚合物污染），但在较低的ICP功率下，表面更光滑，结构垂直度更好。 化学物质｜Cl2+CH4 另外，结合两种工艺，发现蚀刻速率随着氯气浓度的增加而提高。Cl2/CH4/H2工艺通常会产生高蚀刻速率（高达848 nm/min）和更清洁的表面，而不会形成聚合物，但它需要高ICP功率。 结合以上三种情况，若想保证刻蚀表面平滑的效果，需要进一步研究Cl2/CH4/H2工艺。 Cl2/CH4/H2工艺参数 因为氯等反应性气体往往会对表面造成大的损伤。 选择较高的CH4流量以避免富铟表面的形成。 选择适中的H2流速来平滑蚀刻表面，而不会严重降低蚀刻速率。 根据以上情况，作为高蚀刻速率和光滑表面之间的折衷方案，我们选择RF功率、Cl2、CH4和H2流速分别为100 W、10、8和4 sccm。对于Cl2气体，选择10sccm作为蚀刻速率和表面质量之间的折衷。 Cl2/CH4/H2工艺的刻蚀速率 设置这些参数后，ICP功率在两个不同的工艺压力水平下变化，以研究其对蚀刻速率、表面质量和结构垂直度的影响。如图1所示。 图1：对于Cl2/CH4/H2工艺，蚀刻速率是两个不同工艺压力水平下ICP功率的函数。RF功率为100W，Cl2流量为10sccm，CH4流量为8sccm，H2流量为4sccm。 在低压水平（4mTorr）下，蚀刻速率随着ICP功率的增加而增加。在较高的压力水平（15 mTorr）下，蚀刻速率最初很小，只有当ICP功率高于800 W时才会线性增加。这可能是因为，在较高的工艺压力下，反应产物更难从材料表面逃逸。在更高的工艺压力下，蚀刻表面也可以形成更多的聚合物。因此，在ICP功率（即离子密度）超过某个阈值之前，产物将通过离子辅助解吸清除。 低工艺压力不仅提供了更高的蚀刻速率，而且由于离子在低压下较少偏离轴线，因此蚀刻轮廓更垂直。这些结果表明，通过选择合适的ICP功率可以获得宽范围的蚀刻速率和轮廓。 有以上结果选定最终刻蚀参数： 使用ICP功率为1200 W，工艺压力选择为4mTorr,直流偏压约为-240V,获得的蚀刻速率约为848 nm/min，对氧化物的选择性为35:1。刻蚀表面如图2（a）所示。 均方根表面粗糙度约为3.7nm，如图2（b）所示。在高ICP功率下获得的相对较高的蚀刻速率和各向异性蚀刻，即使没有故意加热基板，也表明InClx蚀刻产物正在通过离子辅助解吸有效地去除，这可以防止形成厚的InClx边缘层。 图5：左侧GaAs/AlGaAs用Cl2/BCl3蚀刻， InP用Cl2用压板加热蚀刻 反应气体（如CHF3）和束能之间的仔细平衡有助于石英以如图6所示的角度被蚀刻。CF4反应气体也可用于深各向异性石英蚀刻。 图2：（a） 使用Cl2/CH4/H2优化配方蚀刻的台面结构的SEM照片，插图显示了侧壁轮廓，以及（b）相应的AFM表面轮廓。RF功率为100 W，ICP功率为1200 W，工艺压力为4mTorr，Cl2流量为10 sccm，CH4流量为8 sccm，H2流量为4 sccm。 CH4/H2配方已被广泛用于InP的蚀刻。已经证明，由于蚀刻产物（即In（CH3）3和PH3）的高挥发性，该配方能够产生比基于Cl2的工艺更好的表面和侧壁粗糙度。所用气体也无腐蚀性和无毒性，不需要加热基材。 对于典型的波导应用，可以提供相当高的蚀刻速率和光滑表面,其最佳配方是RF功率为110 W，ICP功率为200 W，工艺压力为18mTorr，CH4:H2气体流量比为30:10 sccm。直流偏压约为-465 V。 其中为了防止SiO2表面上形成聚合物，导致侧壁过度切割，并在长时间的蚀刻过程中保持清洁的材料表面，我们添加了1sccm的O2（占总流速的2.5%），该配方可获得非常光滑的表面和近乎垂直的蚀刻轮廓，如图3（a）所示。如图3（b）所示，均方根表面粗糙度约为1.69 nm。InP的蚀刻速率约为114nm/min，对氧化物的选择性为58:1。 图3：（a） 使用CH4/H2优化配方蚀刻的台面结构的SEM照片，插图显示了侧壁轮廓和（b）相应的AFM表面轮廓。RF功率为110W，ICP功率为200W，工艺压力为18mTorr，CH4流量为30sccm，H2流量为10sccm，O2流量为1sccm。 ○ 小结 ○ Cl2/CH4/H2工艺有高蚀刻速率和更光滑的表面，也不会形成聚合物，但需要高ICP功率。 而CH4/H2工艺产生较低的蚀刻速率（可能有聚合物污染），但在较低的ICP功率下，表面更光滑，结构垂直度更好。加入少量氧气以消除聚合物的形成。 综上所述，我们优化了ICP蚀刻InP的CH4/H2和Cl2/CH4/H2工艺。并且获得了合适的速率和良好的表面质量。 主要参考文章： Study and optimization of room temperature inductively coupled plasma etching of InP using Cl2/CH4/H2 and CH4/H2，Chee-Wei Lee. Vertical and Smo oth, etching of InP by Cl2 /CH4 /Ar Inductively Coupled Plasmaat Ro om Temp erature ,SUN Chang-Zheng. High verticality InP/InGaAsP etching in Cl 2 / H 2 / Ar inductively coupledplasma for photonic integrated circuits,John S. Parker,a Erik J. Norberg, Robert S. Guzzon,Steven C. Nicholes, and Larry A. Coldren.
这是一个非常完整的智能手表开源项目，功能齐全，且资料开源，如果你是：自己平时喜欢diy的工程师，想要提升开发技能的学生，马上要做毕设的大四学生，这个手表很值得一做，别错过了~~ 所有开源的资料以及原文链接见文末。 先来看下这个手表的功能： 首先，是一个可以佩戴的手表 可以充当紧凑的无线访问设备，控制所有物联网设备 还具有可交换的 MAC 地址、扫描 WiFi 网络的能力 内置距离感应的 LiDAR 实时温度、海拔、湿度、压力、气体、倾斜度和加速度 通过按键控制所有操作 主要功能详解测距：使用的LiDAR是意法半导体（STMicroelectronics）的超简洁VL53L1X ToF（飞行时间）距离传感器。精度 <±1% ，可以测量从 4 厘米到 4 米的任何距离。由于它使用 940 nm 激光（它是红外线，因此人眼看不见），因此还在它旁边加入了一个可切换的亮红色 650nm 5mW 激光器，以帮助瞄准或进行演示。无线部分：手表利用 ESP-NOW 以超低功耗快速广播数据。之所以选择这种无线协议，是因为它能够绕过传统的WiFi连接设置，这使得其他设备之间的动作反应时间几乎是瞬时的，适用于大多数 32 位 MCU。扫描 WiFi 网络：手表还可用于扫描 WiFi 网络，并提供网络 SSID、RSSI（信号强度）和身份验证模式（网络的安全性 0-7）。由于广播无线数据非常耗电，手表编程为仅暂时激活 WiFi 以发送/接收数据，然后自动禁用。它还具有自动 1.5 秒睡眠模式计时器和倾斜唤醒检测功能，与 Apple Watch 非常相似，但Apple Watch 是无法连接到 DIY 门锁/电灯开关的。数字水平/坡度检测器：只需将手表放在有问题的表面上，然后单击 IMU 模式按钮即可访问实时倾斜和加速度数据。空气检测：手表内置的挥发性有机化合物 （VOC） 传感器，观察 IAQ 读数因目标气体与 BME680 加热的金属氧化层接触的结果而变化，还监测湿度和大气压力。 主题修改：手表还带有多个主题，可以选择最喜欢的颜色。功能介绍完了，可以来看下如何从原理图开始吧—— 主电路由ESP32-S3、五个传感器（可选第六个）、一个 LiPo 电池、一个激光模块驱动器以及用于为 ESP32-S3 微控制器供电、通信和设置的典型电路组成，还有一些按钮和连接器。以下是完整的原理图：更详细的原理图详解看这里：https://www.roboticworx.io/p/build-custom-esp32-boards-from-scratch#%C2%A7the-schematic要在如此小的空间（43x36mm）中塞得下如此多的器件，2层板肯定不够的，直接使用了4层本。在背面可以放置一些器件，并且中间的两层接地层，这样还能获得良好的隔离效果。bom清单在这里：https://github.com/RoboticWorx/Gateway-Smartwatch/blob/main/Gateway%20Part%20List%20and%20BOM.csv为确保一切正常，需要进行简单的测试。通过 USB-C 端口上传主程序，并确保一切正常。上传到开发板的说明可以在编程部分找到。如果上传程序后看到屏幕似乎没有响应，可以断开电源，然后重启。也可以尝试按下重置按钮（最左侧的按钮）并重启电路板的电源。初步测试成功之后，就可以安装电池，打印外壳了。 作为一个非常复杂的项目，下面是关于如何使用手表和操作不同按钮/组合的部分。下面是常规按钮布局及其作用：按钮 1 ：通用主页按钮。在单击此按钮的任何时候，返回主表盘，手表能够进入睡眠模式（启用 1.5 秒计时器）。如果手表处于睡眠模式，还会唤醒手表（除了倾斜唤醒之外）。按钮 2：无线模式。按下这个按钮，按钮 2-5就 被重新分配以帮助导航不同的 MAC 地址。按钮 3 切换 MAC 地址，按钮 4 更改所选的 MAC 地址数字，按钮 5 遍历当前所选 MAC 地址的数字。按钮 3：惯性测量单元 （IMU） 模式按钮。单击按钮 3 后，将出现一个菜单，显示来自板载ICM42670的当前陀螺仪和加速读数。按钮 4 和 5 很特别，本身不会做任何事情，但可以1,2,3组合，完成一些功能：按住按钮 4 并单击按钮 1 ，将打开手表的手电筒屏幕。 按住按钮 4 并单击按钮 2 将通知手表开始 WiFi 扫描。这会将手表更改为新的空白屏幕，几秒钟后将出现本地 2.4GHz 网络。网络数据将包括 SSID（名称）、RSSI（信号强度）和身份验证模式（网络的安全性 0-7）。按住按钮 4 并单击按钮 3 将使手表进入时钟更改模式。 按钮 5 组合是独一无二的，因为它们都充当无线热键。这样，您不必在每次想要发送无线信号时都导航到无线菜单。按住按钮 5 并单击按钮 1 将向 菜单中的第一个 MAC 地址发送 1，按住按钮 5 并单击按钮 2 将向 菜单中的第二个 MAC 地址发送 1，依此类推最多三个。应该注意的是，手表必须处于打开状态才能使所有这些工作正常，除非将数据发送到第一个 MAC 地址（按钮 1 将其唤醒）。要激活 LiDAR，按住按钮 1 并按下按钮 2。要激活激光指示器，按住按钮 1 并按下按钮 3。如果在任何时候出现问题，可以随时单击启动按钮旁边的硬件重置按钮。最后是编程部分，这个项目太复杂了，直接使用 ESP-IDF（ESP32 微控制器的官方物联网开发框架）。代码在这里：https://github.com/RoboticWorx/Gateway-Smartwatch/tree/main/Code这绝对是一个非常实用的项目，但还是可以继续改进的： 类似于 Flipper Zero 可以执行的更多 RFID 功能 手表内置的红外摄像头（用于热成像），用于以 32x24 分辨率进行温度感应。 更改为触摸屏 LoRa 模块发送命令的远程无线电通信 5GHz 无线功能（希望 ESP32-C5 能为此而推出）。 GPS实时坐标功能、磁力计 实时摄像头监控（外部摄像头馈送到手表显示屏上）。 延长电池续航时间。 好了，这里只是整理了部分的内容，想要复刻的，一定要认真看原文： 原文链接： https://www.roboticworx.io/p/build-the-ultimate-smartwatch-lidar
激光二极管（半导体激光器）是一种利用半导体pn结将电流转换成光能并产生激光的电子器件。激光二极管具有优异的指向性和直进性，作为一种容易控制能量的光源，被广泛应用于光通信、医疗、感测、数据存储和休闲娱乐等领域。其基本原理是利用电子和空穴复合时产生的光。目前市场上已有不同波长和输出特性的众多产品。本文将详细介绍激光二极管的基本原理、结构、材料、种类和应用。 什么是激光二极管？ 激光二极管（Laser Diode）也被称为“半导体激光器”。“激光”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写，意为“受激辐射光放大”。自然光和LED光即使波长恒定，其相位差不恒定，波形也不整齐。而激光是仅放大特定波长的“相干（coherent）”光。相干光源因其相位差恒定、波形一致，可利用干涉使焦点非常小（数um~），从而可用于光开关和光调制等各种应用中。 历史与发展 激光二极管的历史始于1917年，当时阿尔伯特·爱因斯坦首次将“受激辐射”现象形成理论，奠定了所有激光技术的基础。后来，德国人约翰·冯·诺依曼于1953年在一份未发表的手稿中描述了半导体激光器的概念。1957年，美国人戈登·古尔德提出可以利用受激辐射现象来放大光，并将其命名为“LASER（受激辐射光放大）”。就这样，随着各国科学家对激光器的研究不断取得进展，1962年同质结结构的砷化镓（GaAs）半导体激光器问世，相干光技术得到实际验证，同年，可见光振荡也获得成功。然而，这个时代的半导体激光器存在室温下连续振荡方面的课题。1970年，双异质结构的发现使得室温下的连续振荡成为可能。1970年代之后，半导体激光器技术迅速发展，并被广泛应用于各个领域。 激光二极管的发光原理 激光二极管是一种能发射特定波长激光的半导体器件。其基本结构由p型半导体和n型半导体组成的pn结、发射光的有源层、以及反射光的有涂层的镜面组成。激光二极管的发光原理是当电流流动时电子和空穴复合，此时辐射出的光子在有源层内被放大，并在谐振器内被反射，形成激光。我们先来了解一下激光二极管和LED共有的“发光半导体”的基本结构和发光原理。 二极管的基本结构和材料 半导体是导电性能介于导电的“导体”和不易导电的“绝缘体（非导体）”之间的物质。导体包括铁、金等金属物质，绝缘体包括橡胶、玻璃等物质。半导体可以通过使其导电或不导电来控制电流。另外，在某些使用方式下，还可以在光能和电能之间进行能量转换。 通常，二极管的元件主要由硅（Si）制成。硅（Si）是最典型的半导体材料。硅以“硅石（SiO2：主要成分是二氧化硅的石头”的形式存在于自然界中，是一种资源丰富的材料。因其易于加工而被广泛应用于很多半导体产品中。 硅（Si）作为半导体材料，本来是绝缘体，几乎没有作为载流子的自由电子。因此，通过向硅（Si）中添加其他杂质来提高硅（Si）中的载流子浓度，从而提高其电导率。像这样通过添加杂质来增加载流子的半导体被称为“杂质半导体”。载流子包括自由电子和自由空穴，其中使自由电子载流子增加的半导体称为“n型半导体”，使自由空穴载流子增加的半导体称为“p型半导体”。 * p型半导体（+：positive，空穴多的半导体）、n型半导体（-：negative，电子多的半导体） 二极管的元件是p型半导体和n型半导体连接的结构，称为“pn结”。p型半导体的引脚称为“阳极”，n型半导体的引脚称为“阴极”，电流是从阳极流向阴极的。 二极管的发光原理 当给pn结元件施加正向电压时，空穴（正）和电子（负）向结点方向移动并结合。此时产生的多余能量会被转化为光能，从而实现发光。这种现象称为“复合发光”。 下面我们使用pn结的能带图来说明此时载流子的移动情况。（左）表示未对pn结施加偏压的状态，（右）表示对pn结施加正向偏压的状态。当施加正向电压时，pn结处的能量势垒高度降低，n型区中的多数载流子（电子）如图所示穿过能量势垒并移动到p型区，与p型区的多数载流子（空穴）复合。此时，多余的能量会以光的形式释放出来。另一方面，p型区中的空穴移动到n型区并与n型区中的多数载流子（电子）复合，同样，多余的能量会以光的形式释放出来。 如图所示，导带和价带的能级存在差异，这种能量差称为“带隙”。另外，电子越过带隙从导带迁移到价带称为“电子跃迁”。也就是说，当电子从能量较高的导带跃迁到能量较低的价带并与空穴复合时，相当于其带隙的能量将以光子（光）的形式被释放出来。这就是半导体发光的原理。 激光二极管的材料、波长和发光颜色 激光二极管是一种利用半导体材料实现发光的器件。激光二极管的性能和特性会因所选的材料而有很大不同。普通的二极管会使用硅，但激光二极管会使用化合物半导体，因此其发光效率更高。激光二极管的选材会直接影响其波长、发光效率、工作温度等诸多特性。 下面，我们来详细了解一下激光二极管所用的化合物半导体的作用及其特点。 化合物半导体的作用 普通的二极管元件会采用“硅（Si）”这种材料，而激光二极管元件则使用“化合物半导体”材料。硅（Si）的发光跃迁概率（电流转变为光的概率）较低，几乎不发光，因此不适合用作激光二极管和LED等发光器件的材料。 像激光二极管和LED这类发光的半导体称为“直接跃迁型半导体”，不发光的半导体称为“间接跃迁型半导体”。在半导体中，电子会从能量较高的导带跃迁到能量较低的价带。此时的电子跃迁有“直接跃迁”和“间接跃迁”两种，具体取决于半导体材料。下图是间接跃迁和直接跃迁示意图。纵轴表示能量，横轴表示波数k。 A）发光的半导体“直接跃迁型半导体”（左图） 导带底和价带顶对应相同波数k（电子波的空间振动状态）的半导体称为“直接跃迁型半导体”。当电子在价带和导带之间跃迁时，波数k保持不变。也就是说，导带中被激发的电子将能量差——带隙Eg以光子（光）的形式释放出来，并跃迁到价带，与空穴复合。这可以获得很高的发光效率，从而被用作激光二极管和LED的材料。直接跃迁型半导体包括GaAs/AlGaAs、GaAlP/InGaAlP、GaN/InGaN等半导体。这种以多种元素为材料的半导体称为“化合物半导体”。特别是III族和V族元素相结合的III-V族化合物半导体，被广泛应用于激光二极管和LED等发光器件。 B）不发光的半导体“间接跃迁型半导体”（右图） 导带底和价带顶对应不同波数k的半导体称为“间接跃迁型半导体”。当电子在价带和导带之间跃迁时，波数k会发生变化。这种变化是由于声子（晶格振动的量子）的发射和吸收引起的，其能量会以热量的形式被释放出来。光子（光）的吸收和声子的吸收/发射需要同时发生。光子的发射对应的跃迁概率（发光跃迁概率）较低，发光效率较差，因此这种半导体不能用作发光器件。间接跃迁型半导体有Si和Ge。 波长范围和调整方法 激光二极管和LED材料——化合物半导体，会根据其材料的组成和比例而发出各种波长的光（红色和绿色等可见光、红外光、紫外光等）。基本发光波长取决于有源层——半导体的载流子（激发态的电子和空穴）复合时的带隙能量。 带隙能量（Eg）和波长（λ）之间的关系可以用下列公式来表示：Eg=hν=hc/λ（h：普朗克常数，ν：光子的振动频率，c：光速） 从这个关系式可以看出，带隙能量（Eg）与波长（λ）成反比。也就是说，带隙能量越大，光的波长λ越短。 激光二极管和LED等所用的化合物半导体是通过在半导体材料（衬底）上外延生长pn结的薄膜结晶而制成的。为了堆叠出良好的薄膜晶体，半导体衬底和各结晶层的晶格常数最好要匹配，而且，在选择材料时，不仅要考虑带隙能量，还需要考虑到晶格常数。 上图显示了以III-V族化合物半导体为主的晶格常数与带隙能量（=波长）之间的关系。带隙能量大的材料往往晶格常数小，反之，带隙能量小的材料往往晶格常数大。从该图可以看出，理论上，III-V族化合物半导体可以支持包括紫外光、可见光和红外光在内的广泛波段。例如，该图表明，当在GaAs衬底上生长GaInP的pn结时，晶格常数匹配良好，并且可以获得约650nm的发光波长。 发光颜色与波长的关系 LED可以在很宽的波长范围内发光，单色性好的激光二极管则不同，可发出波长几乎恒定的光。世界上有各种波长的激光，其中肉眼可以看到的波长的光被称为“可见光”。其代表性的波长如下： 可见光（人眼可以看见的光的范围） 材料和发光颜色 激光二极管（半导体激光器）的主要材料如下： 砷化镓（GaAs） : 最常见的激光二极管材料，能够支持很宽的波长范围。半导体制造技术非常发达，可实现高性能。 氮化镓（GaN） : 以开发出高效率的蓝光LED和高输出UV LED而闻名。 磷化铟（InP） : 被用于高速通信应用和近红外激光二极管。 激光二极管的制造工艺通常使用化学气相沉积（CVD）和被称为“分子束外延（MBE）”的技术。利用这些技术，可以生长质量非常高的膜层，从而能够制造出高精度的半导体激光器。另外，激光二极管的发光波长和输出功率可以通过半导体材料选择和制造工艺微调来控制。 激光二极管振荡原理 至此，我们已经介绍了激光二极管和LED共有的“发光半导体”的结构和材料。那么，激光二极管和LED之间有哪些不同呢？“激光（LASER）”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写，意为“受激辐射光放大”。顾名思义，激光的基本条件是受激辐射而放大的光，这一点与LED不同。接下来，我们将介绍激光二极管振荡的原理——光的“受激辐射”和“放大”。 受激辐射光放大 在前面提到过，在半导体中，当电子从导带跃迁到价带并与空穴复合时，其能量将以光的形式释放出来。发光方式有“自发辐射”和“受激辐射”两种。“自发辐射”是导带中的电子在彼此不相互作用的前提下分别与价带中的空穴复合并发光，一次复合辐射出一个光子。 正如前面提到的，光的波长取决于半导体中载流子复合时的带隙能量大小。然而，在实际的复合中，具有与带隙能量不同的较大能量的电子会与价带中的空穴复合，因此自发辐射的光具有随机的光子方向和相位。 而“受激辐射”中，当相当于导带和价带之间的带隙能量Eg的光λ1通过时，导带中的电子因与光的相互作用被激发，并跃迁到价带的基态。此时，会发射出能量（波长）相同、相位相同的光（光子）。最初只有一个光子，现在变成两个，这两个光子进一步激发导带的电子，变为四个光子……就这样，通过受激辐射不断增加，形成波长和相位相同的强光。以上就是激光的受激辐射产生原理。 光学谐振器 受激辐射具有光放大作用，要想实现激光振荡，就需要提高因该放大作用而获得的增益。因此，激光二极管采用的是两个反射面（镜面）彼此面对面放置，使光在它们之间反复往复的结构。这种光放大介质两侧具有平行反射面的结构称为“法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振器”，谐振器内部称为“谐振腔”。这种谐振器在大多数激光器（不仅仅是半导体激光二极管）的激光振荡中都发挥着重要作用。 但是，仅仅通过谐振腔使光往复，并不能让光发射到激光二极管外部。所以，为了使光从反射面射到外部，需要降低某一反射面的反射率，也就是需要反射一部分光并让另一部分光穿透过去。将反射面的反射率（或透射率）设置到最合适，是有效提高激光二极管发光效率的一个非常重要的因素。光在谐振腔内往复，当光被充分放大并达到一定强度时，就会穿透反射率较低的反射面。这就是激光振荡的原理。 通常，激光二极管采用将半导体的解理面用作反射面、光从解理面射出的结构。具有这种结构的激光二极管称为“边发射激光器（EEL：Edge Emitting Laser）”。 激光二极管的结构（光限制、载流子控制） 为了实现发光效率高的、实用的激光二极管，迄今为止，已经研究了多种结构。“光和载流子的限制”是有效提高激光二极管发光效率的重要因素。首先，我们来了解一下光限制的基本原理——光波导。 光波导 光具有容易被限制在高折射率部分的性质。在光波导中，光传播的部分称为“纤芯”，其周围的部分称为“包层”。纤芯的折射率n2高于包层的折射率n1，由于折射率的差异，光被限制在纤芯中。光在纤芯和包层之间的界面上反复进行全反射的同时向前传播。 利用这种光波导的例子之一是“光纤”。光纤由“纤芯”（负责光信号的传输）及其周围的“包层”以及表面涂层组成。由于包层使用的是折射率低于纤芯的材料，因此光被限制在纤芯内，并呈锯齿形路线在纤芯内向前传播。光的这些性质也被用于激光二极管的器件结构中。 双异质结 结构 为了有效提高光提取效率（提高发光效率），LED和激光二极管所用的半导体采用的是双异质结结构。通常，由不同材料组成的结称为“异质结”，具有两个异质结称为“双异质结”。双异质结呈三明治型结构，称为“有源层”的半导体层被夹在称为“包层”的n型和p型半导体之间。“有源层”是带隙能量较小的、关键的发光半导体，“包层”是带隙能量比有源层大的半导体。 双异质结构有“光限制”和“载流子限制”两种作用。 光限制:通过使用折射率高的层作为有源层，使用折射率低的层作为包层，可以像光纤一样将光限制在中央的有源层区域。 载流子限制: 另外还可以将载流子（电子和空穴）限制在有源层内。下面我们使用双异质结的能带图来介绍其具体作用。 在上图中，左侧是未向双异质结施加偏压的状态。 n型包层中存在很多电子，但有源层和n型包层之间有能量势垒，另外由于带隙差，有源层和p型包层之间也存在能量势垒。因此，电子不能进入有源层，而是滞留在n型包层中。而空穴则由于有源层和p型包层之间没有能量势垒而能够进入有源层。 右图表示对该结构施加正向电压时的状态。 n型包层中的电子由于能量势垒消失而可以移动到有源层。但是，由于带隙差，有源层和p型包层之间的能量势垒仍然存在，因此电子会被阻挡并滞留在有源层中。来自p型包层的空穴也同样滞留在有源层中。来自n型包层的电子和来自p型包层的空穴会在有源层内复合发光。这种结构可将载流子（电子和空穴）限制在有源层中，载流子的密度会非常高，从而使复合率变高。这种效应称为“载流子限制效应”。利用这种效应，可以制造出发光效率高的半导体。 光限制和载流子控制 激光二极管元件的基本结构是双异质结构。整个p型面和n型面附有电极的激光器称为“广域激光二极管（Broad area laser，大面积激光二极管）”。在这种结构中，电流的流动范围很宽，因此激光会从有源层的较宽范围发射出来。这种结构需要非常大的电流，不适合实际应用。针对这种情况，业内设计出使电流仅注入到部分有源层的条型结构激光器。其中，“内部条形激光器”是主流产品，这种激光器在有源层周围嵌入了折射率比有源层低的层。与光纤的原理相同，光会被限制在有源层中。 采用这种结构的激光器，振荡模式稳定，实用性强，因此目前大多数激光二极管都采用这种结构。 也就是说，激光二极管的有源层结构不仅使光由于双异质结在垂直方向上被限制，还由于嵌入条形结构而在水平方向上被限制。通过这样的结构设计，高发光效率的激光二极管得以投入实际应用。 目前，为了进一步提高发光效率，将多个有源层堆叠在一起的“堆叠式激光二极管”已经投入实际使用，相关的产品也越来越多样化。这也使激光二极管的应用范围非常广。以往，激光二极管的主要市场是CD和DVD等光盘的提取、激光打印机和MFP（Multi-Function Printer，多功能打印机）的感光等应用；如今，还被用作光学传感器的光源，并且市场需求在不断扩大。特别是近年来，随着数百瓦级的高输出激光二极管的开发，还有望用作汽车自动驾驶所需的LiDAR光源。 激光二极管与自然光和LED光的区别 激光二极管（半导体激光器）和LED都是使用了半导体元件的光源，它们产生光的机制相似。两者的区别在于是否发生“受激辐射”。LED产生的光会直接发射出来（自发辐射），而半导体激光器的发光属于“受激辐射”，利用谐振结构，使自己产生的光在有源层内往复并放大，最终形成相位一致的更强的光。以这种方式发射的激光与LED光和自然光相比，具有以下特性： 1. 指向性和直进性好 LED和自然光的波长、相位和方向是随机的，因此光容易向各个方向分散。而激光则传播方向非常集中，指向性非常高。这是因为半导体激光器的原理使其能够产生波长相同、相位相同、集中在同一方向的光，因此即使距离光源很远，光也几乎不会扩散，仍然会保持一个方向、保持强光直线向前发射。这种特性是激光二极管得以用在众多应用中的原因之一。 2. 单色性好 激光二极管发出的光具有单色性好、波长窄、即使通过棱镜也很难被分解的特点。这是因为激光的波长、相位和方向相同。因此，可以有效产生特定波长的光，从而实现明亮且色彩复现性高的光。从下图也可以看出，与LED光相比，激光集中在特定的波长上。 而太阳光等自然光是各种颜色波长的混合体，因此通过棱镜时会被分解成七种颜色的光。LED光的波长范围也很宽，而波长范围宽会使光的强度将低。 使用棱镜进行分光 由于激光的单色性好，适用于需要特定波长的光学检测和激光治疗等领域。 3. 相干性好，能量密度高 激光的相干性优异，因此多束激光可以相互干涉并形成更强的光。这是因为激光的波长恒定，而该波长的光是相位相同的“相干光”。多个激光二极管发出的光彼此相位一致，因此当光重叠时会相互放大。 而LED和自然光则因为含有多个波长的光，而且这些波长的光相位不同，所以当光重叠时，不会相互干涉并变强。另外，由于激光的方向和相位非常一致，因此聚光性优异，更容易将光能集中在一个方向上。例如，当太阳光通过透镜聚光时，其能量可以燃烧纸张，而激光因为能量更集中，所以甚至可以达到熔化金属的高能量密度。 激光二极管的种类 激光的种类 激光被广泛应用于医疗、工业、通信等领域，根据其介质材料的不同，激光可分为几类。除了本文中介绍的激光二极管外，还有以下几种： 固体激光器：采用固体材料（半导体除外）作为激光介质的激光器，代表性的产品有红宝石激光器和YAG激光器。红宝石激光器是世界上最早的激光器。波长为1064nm的YAG激光器是以矿石为介质的，已被广泛应用于金属加工等工业应用。通常，即使激光介质都是固体的，但采用半导体材料的激光器因其性质有很大不同而被归类为激光二极管。 液体激光器：采用液体作为激光介质的激光器，根据所使用介质的特性主要被分为“有机染料激光器”、“有机螯合物激光器”、“无机激光器”三种。其中具有代表性的是“有机染料激光器”，它使用有机染料（将染料分子溶解在有机溶剂中制成）作为介质，是一种可以通过溶解在有机溶剂中的染料分子连续选择波长（包括可见光）的“波长可调谐激光器”。这种激光器被广泛应用于光谱测量和分析等理学领域。 气体激光器：采用气体作为激光介质。与其他激光器相比，具有激光介质均匀且损耗少、输出功率高的特点。具有代表性的气体激光器之一是二氧化碳激光器（CO2激光器），因其输出功率高且适用于各种材料的加工和焊接而在工业领域中得到广泛应用。另外，还作为激光手术刀被用于医疗领域。 激光二极管（半导体激光器）的种类 激光二极管可以根据光的发射方向进行分类。 边发射激光器（EEL：Edge Emitting Laser）:采用将半导体的解理面用作反射镜、使光从解理面发射的结构。 面发射激光器（SEL：Surface Emitting Laser）：采用使光从半导体衬底表面垂直发射的结构。 垂直腔面发射激光器（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）：在半导体衬底表面的垂直方向上形成光学谐振腔，发出的激光束与衬底表面垂直。具有阈值电流小、能以低电流高速调制、温度稳定性好等特点，被广泛应用于光通信和传感器领域。 垂直腔面发射激光器 这些不同种类的激光二极管具有不同的特性，目前已根据它们的特性广泛应用在各种用途中。 激光二极管的封装 目前，激光二极管使用较多的封装形式是CAN封装，这种封装具有圆柱形的金属机身，前端有出光口。通常具有以下特点： 激光二极管的封装：CAN封装示例 激光二极管的封装：框架封装示例 外形尺寸：直径3.8mm～5.6mm，高度2.5mm～6mm。行业标准尺寸5.6mmφ CAN型封装是主流产品。在Quad Beam LD和部分通信系统中，会使用诸如9.0mmφ的较大尺寸产品。在注重成本的光盘领域，也使用框架采用树脂材质的产品。 机身材质：通常采用黄铜、不锈钢、铝等金属。出光口：前端有一个很细的窗口，激光从该窗口射出。出光口通常由硅或玻璃制成，直径范围约100μm～500μm。在注重成本的应用中，也会使用不带盖玻盖片的产品。 引脚排列：CAN封装通常有2个或3个引脚。如果是2个引脚，引脚分别用于激光二极管和PIN光电二极管；如果是3个引脚，则添加了温度感测用的引脚。 近年来，市场上也销售表贴型封装和裸芯片产品，预计激光二极管的应用领域会进一步扩大。 激光二极管的寿命 激光二极管的平均寿命取决于工作环境（使用温度、静电、电源噪声等），通常认为在正常条件（外壳温度25℃）下可连续点亮约10,000小时。如果使用时的工作温度高，会使使用寿命缩短，另外静电放电（ESD）也会导致故障。此外，电源产生的浪涌和噪声也可能会损坏激光器元件。 要想长期使用激光二极管，采用散热器等散热措施、充分的防静电和防浪涌措施、使用噪声滤波器、将输出控制在所需要最低限度等措施，都可以有效延长使用寿命。 激光器发射的光具有很高的功率密度，如果使用不当，即使很小的发射量，也可能会对人体造成伤害，非常危险。因此，使用前必须采取充分的安全措施。 激光二极管的应用 1. 光盘（CD、DVD、BD） 在CD、DVD、BD等被称为“光盘”的数字存储介质中，激光二极管可用于光学拾音器（用于播放和存储数据的装置）。可利用激光可读取（播放）音乐、视频等数据，反之还可以写入（存储）信息。 可利用激光来检测是否存在轻微的凹凸，并将其转换为声音和视频等电信号。CD主要使用红外激光器，DVD主要使用红光激光器。蓝光光盘和下一代DVD的拾音器主要使用蓝光激光器，因为波长越短，激光束越窄，就可以保存和播放更多的信息。 光盘应用示例 光的波长 2. 激光打印机、MFP（Multi-Function Printer，多功能打印机）等 聚光性优异的激光二极管适用于激光打印机和多功能打印机的感光应用。通过照射感光鼓将信号转移到纸上。激光打印机的打印速度快、打印质量好，因而被广泛应用于需要大量印刷的商业用途。 3. 光通信 适用波长1300nm～的红外激光器。这种激光器的功率损耗小，而且可以将大量信息转换成光信号并远距离传输，因而被用作光纤通信的光源。另外还适用于需要高速通信的无线通信系统中的光数据传输应用，在越来越需要长距离高速传输的通信领域，其精度也越来越高。 4. 激光显微镜 激光显微镜通过用激光照射对象物并检测其反射的光来观察对象物。通过使用波长比可见光短的激光，可用更高分辨率进行观察。 5. 激光笔、激光墨线仪 由于激光的直进性好，所以也适用于激光笔。另外还适用于在天花板和墙壁上标记垂直和水平的墨线仪，在建筑工地进行安装和施工时用来做标记。 6. 光学测距和3D传感器 激光二极管的线性度高，精度也高，因此还适用于光学检测。利用激光测量对象物的距离和形状的LiDAR（Light Detection and Ranging），适用于汽车的自动驾驶系统和航空测量，也适用于智能手机和AR耳机等应用。此外，在测速和引力波探测等众多领域的应用也在不断扩大。 7. 烟雾和粉尘传感器 激光二极管还可用作传感器的光源。通过激光与烟雾和空气中的微细粉尘碰撞并散射来检测是否有烟雾或粉尘。 8. 激光治疗 在医疗领域，可利用光动力效应进行疾病诊断和治疗、手术和放射治疗等，例如皮肤治疗、眼科手术、牙科治疗和内窥镜手术等，预计未来应用范围会进一步扩大。 9. 材料加工 激光二极管可以产生高输出功率的光，因此可用作金属、塑料、陶瓷等材料加工的光源。激光加工可实现高精度、高速加工，也适用于难加工材料的切割、钻孔等应用。 10. 娱乐 激光二极管还适用于现场表演、音乐会和投影映射等娱乐应用。利用激光的特性，可以打造出奇幻的演出效果。
激光二极管（半导体激光器）是一种利用半导体pn结将电流转换成光能并产生激光的电子器件。激光二极管具有优异的指向性和直进性，作为一种容易控制能量的光源，被广泛应用于光通信、医疗、感测、数据存储和休闲娱乐等领域。其基本原理是利用电子和空穴复合时产生的光。目前市场上已有不同波长和输出特性的众多产品。本文将详细介绍激光二极管的基本原理、结构、材料、种类和应用。 什么是激光二极管？ 激光二极管（Laser Diode）也被称为“半导体激光器”。“激光”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写，意为“受激辐射光放大”。自然光和LED光即使波长恒定，其相位差不恒定，波形也不整齐。而激光是仅放大特定波长的“相干（coherent）”光。相干光源因其相位差恒定、波形一致，可利用干涉使焦点非常小（数um~），从而可用于光开关和光调制等各种应用中。 历史与发展 激光二极管的历史始于1917年，当时阿尔伯特·爱因斯坦首次将“受激辐射”现象形成理论，奠定了所有激光技术的基础。后来，德国人约翰·冯·诺依曼于1953年在一份未发表的手稿中描述了半导体激光器的概念。1957年，美国人戈登·古尔德提出可以利用受激辐射现象来放大光，并将其命名为“LASER（受激辐射光放大）”。就这样，随着各国科学家对激光器的研究不断取得进展，1962年同质结结构的砷化镓（GaAs）半导体激光器问世，相干光技术得到实际验证，同年，可见光振荡也获得成功。然而，这个时代的半导体激光器存在室温下连续振荡方面的课题。1970年，双异质结构的发现使得室温下的连续振荡成为可能。1970年代之后，半导体激光器技术迅速发展，并被广泛应用于各个领域。 激光二极管的发光原理 激光二极管是一种能发射特定波长激光的半导体器件。其基本结构由p型半导体和n型半导体组成的pn结、发射光的有源层、以及反射光的有涂层的镜面组成。激光二极管的发光原理是当电流流动时电子和空穴复合，此时辐射出的光子在有源层内被放大，并在谐振器内被反射，形成激光。我们先来了解一下激光二极管和LED共有的“发光半导体”的基本结构和发光原理。 二极管的基本结构和材料 半导体是导电性能介于导电的“导体”和不易导电的“绝缘体（非导体）”之间的物质。导体包括铁、金等金属物质，绝缘体包括橡胶、玻璃等物质。半导体可以通过使其导电或不导电来控制电流。另外，在某些使用方式下，还可以在光能和电能之间进行能量转换。 通常，二极管的元件主要由硅（Si）制成。硅（Si）是最典型的半导体材料。硅以“硅石（SiO2：主要成分是二氧化硅的石头”的形式存在于自然界中，是一种资源丰富的材料。因其易于加工而被广泛应用于很多半导体产品中。 硅（Si）作为半导体材料，本来是绝缘体，几乎没有作为载流子的自由电子。因此，通过向硅（Si）中添加其他杂质来提高硅（Si）中的载流子浓度，从而提高其电导率。像这样通过添加杂质来增加载流子的半导体被称为“杂质半导体”。载流子包括自由电子和自由空穴，其中使自由电子载流子增加的半导体称为“n型半导体”，使自由空穴载流子增加的半导体称为“p型半导体”。 * p型半导体（+：positive，空穴多的半导体）、n型半导体（-：negative，电子多的半导体） 二极管的元件是p型半导体和n型半导体连接的结构，称为“pn结”。p型半导体的引脚称为“阳极”，n型半导体的引脚称为“阴极”，电流是从阳极流向阴极的。 二极管的发光原理 当给pn结元件施加正向电压时，空穴（正）和电子（负）向结点方向移动并结合。此时产生的多余能量会被转化为光能，从而实现发光。这种现象称为“复合发光”。 下面我们使用pn结的能带图来说明此时载流子的移动情况。（左）表示未对pn结施加偏压的状态，（右）表示对pn结施加正向偏压的状态。当施加正向电压时，pn结处的能量势垒高度降低，n型区中的多数载流子（电子）如图所示穿过能量势垒并移动到p型区，与p型区的多数载流子（空穴）复合。此时，多余的能量会以光的形式释放出来。另一方面，p型区中的空穴移动到n型区并与n型区中的多数载流子（电子）复合，同样，多余的能量会以光的形式释放出来。 如图所示，导带和价带的能级存在差异，这种能量差称为“带隙”。另外，电子越过带隙从导带迁移到价带称为“电子跃迁”。也就是说，当电子从能量较高的导带跃迁到能量较低的价带并与空穴复合时，相当于其带隙的能量将以光子（光）的形式被释放出来。这就是半导体发光的原理。 激光二极管的材料、波长和发光颜色 激光二极管是一种利用半导体材料实现发光的器件。激光二极管的性能和特性会因所选的材料而有很大不同。普通的二极管会使用硅，但激光二极管会使用化合物半导体，因此其发光效率更高。激光二极管的选材会直接影响其波长、发光效率、工作温度等诸多特性。 下面，我们来详细了解一下激光二极管所用的化合物半导体的作用及其特点。 化合物半导体的作用 普通的二极管元件会采用“硅（Si）”这种材料，而激光二极管元件则使用“化合物半导体”材料。硅（Si）的发光跃迁概率（电流转变为光的概率）较低，几乎不发光，因此不适合用作激光二极管和LED等发光器件的材料。 像激光二极管和LED这类发光的半导体称为“直接跃迁型半导体”，不发光的半导体称为“间接跃迁型半导体”。在半导体中，电子会从能量较高的导带跃迁到能量较低的价带。此时的电子跃迁有“直接跃迁”和“间接跃迁”两种，具体取决于半导体材料。下图是间接跃迁和直接跃迁示意图。纵轴表示能量，横轴表示波数k。 A）发光的半导体“直接跃迁型半导体”（左图） 导带底和价带顶对应相同波数k（电子波的空间振动状态）的半导体称为“直接跃迁型半导体”。当电子在价带和导带之间跃迁时，波数k保持不变。也就是说，导带中被激发的电子将能量差——带隙Eg以光子（光）的形式释放出来，并跃迁到价带，与空穴复合。这可以获得很高的发光效率，从而被用作激光二极管和LED的材料。直接跃迁型半导体包括GaAs/AlGaAs、GaAlP/InGaAlP、GaN/InGaN等半导体。这种以多种元素为材料的半导体称为“化合物半导体”。特别是III族和V族元素相结合的III-V族化合物半导体，被广泛应用于激光二极管和LED等发光器件。 B）不发光的半导体“间接跃迁型半导体”（右图） 导带底和价带顶对应不同波数k的半导体称为“间接跃迁型半导体”。当电子在价带和导带之间跃迁时，波数k会发生变化。这种变化是由于声子（晶格振动的量子）的发射和吸收引起的，其能量会以热量的形式被释放出来。光子（光）的吸收和声子的吸收/发射需要同时发生。光子的发射对应的跃迁概率（发光跃迁概率）较低，发光效率较差，因此这种半导体不能用作发光器件。间接跃迁型半导体有Si和Ge。 波长范围和调整方法 激光二极管和LED材料——化合物半导体，会根据其材料的组成和比例而发出各种波长的光（红色和绿色等可见光、红外光、紫外光等）。基本发光波长取决于有源层——半导体的载流子（激发态的电子和空穴）复合时的带隙能量。 带隙能量（Eg）和波长（λ）之间的关系可以用下列公式来表示：Eg=hν=hc/λ（h：普朗克常数，ν：光子的振动频率，c：光速） 从这个关系式可以看出，带隙能量（Eg）与波长（λ）成反比。也就是说，带隙能量越大，光的波长λ越短。 激光二极管和LED等所用的化合物半导体是通过在半导体材料（衬底）上外延生长pn结的薄膜结晶而制成的。为了堆叠出良好的薄膜晶体，半导体衬底和各结晶层的晶格常数最好要匹配，而且，在选择材料时，不仅要考虑带隙能量，还需要考虑到晶格常数。 上图显示了以III-V族化合物半导体为主的晶格常数与带隙能量（=波长）之间的关系。带隙能量大的材料往往晶格常数小，反之，带隙能量小的材料往往晶格常数大。从该图可以看出，理论上，III-V族化合物半导体可以支持包括紫外光、可见光和红外光在内的广泛波段。例如，该图表明，当在GaAs衬底上生长GaInP的pn结时，晶格常数匹配良好，并且可以获得约650nm的发光波长。 发光颜色与波长的关系 LED可以在很宽的波长范围内发光，单色性好的激光二极管则不同，可发出波长几乎恒定的光。世界上有各种波长的激光，其中肉眼可以看到的波长的光被称为“可见光”。其代表性的波长如下： 可见光（人眼可以看见的光的范围） 材料和发光颜色 激光二极管（半导体激光器）的主要材料如下： 砷化镓（GaAs） : 最常见的激光二极管材料，能够支持很宽的波长范围。半导体制造技术非常发达，可实现高性能。 氮化镓（GaN） : 以开发出高效率的蓝光LED和高输出UV LED而闻名。 磷化铟（InP） : 被用于高速通信应用和近红外激光二极管。 激光二极管的制造工艺通常使用化学气相沉积（CVD）和被称为“分子束外延（MBE）”的技术。利用这些技术，可以生长质量非常高的膜层，从而能够制造出高精度的半导体激光器。另外，激光二极管的发光波长和输出功率可以通过半导体材料选择和制造工艺微调来控制。 激光二极管振荡原理 至此，我们已经介绍了激光二极管和LED共有的“发光半导体”的结构和材料。那么，激光二极管和LED之间有哪些不同呢？“激光（LASER）”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写，意为“受激辐射光放大”。顾名思义，激光的基本条件是受激辐射而放大的光，这一点与LED不同。接下来，我们将介绍激光二极管振荡的原理——光的“受激辐射”和“放大”。 受激辐射光放大 在前面提到过，在半导体中，当电子从导带跃迁到价带并与空穴复合时，其能量将以光的形式释放出来。发光方式有“自发辐射”和“受激辐射”两种。“自发辐射”是导带中的电子在彼此不相互作用的前提下分别与价带中的空穴复合并发光，一次复合辐射出一个光子。 正如前面提到的，光的波长取决于半导体中载流子复合时的带隙能量大小。然而，在实际的复合中，具有与带隙能量不同的较大能量的电子会与价带中的空穴复合，因此自发辐射的光具有随机的光子方向和相位。 而“受激辐射”中，当相当于导带和价带之间的带隙能量Eg的光λ1通过时，导带中的电子因与光的相互作用被激发，并跃迁到价带的基态。此时，会发射出能量（波长）相同、相位相同的光（光子）。最初只有一个光子，现在变成两个，这两个光子进一步激发导带的电子，变为四个光子……就这样，通过受激辐射不断增加，形成波长和相位相同的强光。以上就是激光的受激辐射产生原理。 光学谐振器 受激辐射具有光放大作用，要想实现激光振荡，就需要提高因该放大作用而获得的增益。因此，激光二极管采用的是两个反射面（镜面）彼此面对面放置，使光在它们之间反复往复的结构。这种光放大介质两侧具有平行反射面的结构称为“法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振器”，谐振器内部称为“谐振腔”。这种谐振器在大多数激光器（不仅仅是半导体激光二极管）的激光振荡中都发挥着重要作用。 但是，仅仅通过谐振腔使光往复，并不能让光发射到激光二极管外部。所以，为了使光从反射面射到外部，需要降低某一反射面的反射率，也就是需要反射一部分光并让另一部分光穿透过去。将反射面的反射率（或透射率）设置到最合适，是有效提高激光二极管发光效率的一个非常重要的因素。光在谐振腔内往复，当光被充分放大并达到一定强度时，就会穿透反射率较低的反射面。这就是激光振荡的原理。 通常，激光二极管采用将半导体的解理面用作反射面、光从解理面射出的结构。具有这种结构的激光二极管称为“边发射激光器（EEL：Edge Emitting Laser）”。 激光二极管的结构（光限制、载流子控制） 为了实现发光效率高的、实用的激光二极管，迄今为止，已经研究了多种结构。“光和载流子的限制”是有效提高激光二极管发光效率的重要因素。首先，我们来了解一下光限制的基本原理——光波导。 光波导 光具有容易被限制在高折射率部分的性质。在光波导中，光传播的部分称为“纤芯”，其周围的部分称为“包层”。纤芯的折射率n2高于包层的折射率n1，由于折射率的差异，光被限制在纤芯中。光在纤芯和包层之间的界面上反复进行全反射的同时向前传播。 利用这种光波导的例子之一是“光纤”。光纤由“纤芯”（负责光信号的传输）及其周围的“包层”以及表面涂层组成。由于包层使用的是折射率低于纤芯的材料，因此光被限制在纤芯内，并呈锯齿形路线在纤芯内向前传播。光的这些性质也被用于激光二极管的器件结构中。 双异质结 结构 为了有效提高光提取效率（提高发光效率），LED和激光二极管所用的半导体采用的是双异质结结构。通常，由不同材料组成的结称为“异质结”，具有两个异质结称为“双异质结”。双异质结呈三明治型结构，称为“有源层”的半导体层被夹在称为“包层”的n型和p型半导体之间。“有源层”是带隙能量较小的、关键的发光半导体，“包层”是带隙能量比有源层大的半导体。 双异质结构有“光限制”和“载流子限制”两种作用。 光限制:通过使用折射率高的层作为有源层，使用折射率低的层作为包层，可以像光纤一样将光限制在中央的有源层区域。 载流子限制: 另外还可以将载流子（电子和空穴）限制在有源层内。下面我们使用双异质结的能带图来介绍其具体作用。 在上图中，左侧是未向双异质结施加偏压的状态。 n型包层中存在很多电子，但有源层和n型包层之间有能量势垒，另外由于带隙差，有源层和p型包层之间也存在能量势垒。因此，电子不能进入有源层，而是滞留在n型包层中。而空穴则由于有源层和p型包层之间没有能量势垒而能够进入有源层。 右图表示对该结构施加正向电压时的状态。 n型包层中的电子由于能量势垒消失而可以移动到有源层。但是，由于带隙差，有源层和p型包层之间的能量势垒仍然存在，因此电子会被阻挡并滞留在有源层中。来自p型包层的空穴也同样滞留在有源层中。来自n型包层的电子和来自p型包层的空穴会在有源层内复合发光。这种结构可将载流子（电子和空穴）限制在有源层中，载流子的密度会非常高，从而使复合率变高。这种效应称为“载流子限制效应”。利用这种效应，可以制造出发光效率高的半导体。 光限制和载流子控制 激光二极管元件的基本结构是双异质结构。整个p型面和n型面附有电极的激光器称为“广域激光二极管（Broad area laser，大面积激光二极管）”。在这种结构中，电流的流动范围很宽，因此激光会从有源层的较宽范围发射出来。这种结构需要非常大的电流，不适合实际应用。针对这种情况，业内设计出使电流仅注入到部分有源层的条型结构激光器。其中，“内部条形激光器”是主流产品，这种激光器在有源层周围嵌入了折射率比有源层低的层。与光纤的原理相同，光会被限制在有源层中。 采用这种结构的激光器，振荡模式稳定，实用性强，因此目前大多数激光二极管都采用这种结构。 也就是说，激光二极管的有源层结构不仅使光由于双异质结在垂直方向上被限制，还由于嵌入条形结构而在水平方向上被限制。通过这样的结构设计，高发光效率的激光二极管得以投入实际应用。 目前，为了进一步提高发光效率，将多个有源层堆叠在一起的“堆叠式激光二极管”已经投入实际使用，相关的产品也越来越多样化。这也使激光二极管的应用范围非常广。以往，激光二极管的主要市场是CD和DVD等光盘的提取、激光打印机和MFP（Multi-Function Printer，多功能打印机）的感光等应用；如今，还被用作光学传感器的光源，并且市场需求在不断扩大。特别是近年来，随着数百瓦级的高输出激光二极管的开发，还有望用作汽车自动驾驶所需的LiDAR光源。 激光二极管与自然光和LED光的区别 激光二极管（半导体激光器）和LED都是使用了半导体元件的光源，它们产生光的机制相似。两者的区别在于是否发生“受激辐射”。LED产生的光会直接发射出来（自发辐射），而半导体激光器的发光属于“受激辐射”，利用谐振结构，使自己产生的光在有源层内往复并放大，最终形成相位一致的更强的光。以这种方式发射的激光与LED光和自然光相比，具有以下特性： 1. 指向性和直进性好 LED和自然光的波长、相位和方向是随机的，因此光容易向各个方向分散。而激光则传播方向非常集中，指向性非常高。这是因为半导体激光器的原理使其能够产生波长相同、相位相同、集中在同一方向的光，因此即使距离光源很远，光也几乎不会扩散，仍然会保持一个方向、保持强光直线向前发射。这种特性是激光二极管得以用在众多应用中的原因之一。 2. 单色性好 激光二极管发出的光具有单色性好、波长窄、即使通过棱镜也很难被分解的特点。这是因为激光的波长、相位和方向相同。因此，可以有效产生特定波长的光，从而实现明亮且色彩复现性高的光。从下图也可以看出，与LED光相比，激光集中在特定的波长上。 而太阳光等自然光是各种颜色波长的混合体，因此通过棱镜时会被分解成七种颜色的光。LED光的波长范围也很宽，而波长范围宽会使光的强度将低。 使用棱镜进行分光 由于激光的单色性好，适用于需要特定波长的光学检测和激光治疗等领域。 3. 相干性好，能量密度高 激光的相干性优异，因此多束激光可以相互干涉并形成更强的光。这是因为激光的波长恒定，而该波长的光是相位相同的“相干光”。多个激光二极管发出的光彼此相位一致，因此当光重叠时会相互放大。 而LED和自然光则因为含有多个波长的光，而且这些波长的光相位不同，所以当光重叠时，不会相互干涉并变强。另外，由于激光的方向和相位非常一致，因此聚光性优异，更容易将光能集中在一个方向上。例如，当太阳光通过透镜聚光时，其能量可以燃烧纸张，而激光因为能量更集中，所以甚至可以达到熔化金属的高能量密度。 激光二极管的种类 激光的种类 激光被广泛应用于医疗、工业、通信等领域，根据其介质材料的不同，激光可分为几类。除了本文中介绍的激光二极管外，还有以下几种： 固体激光器：采用固体材料（半导体除外）作为激光介质的激光器，代表性的产品有红宝石激光器和YAG激光器。红宝石激光器是世界上最早的激光器。波长为1064nm的YAG激光器是以矿石为介质的，已被广泛应用于金属加工等工业应用。通常，即使激光介质都是固体的，但采用半导体材料的激光器因其性质有很大不同而被归类为激光二极管。 液体激光器：采用液体作为激光介质的激光器，根据所使用介质的特性主要被分为“有机染料激光器”、“有机螯合物激光器”、“无机激光器”三种。其中具有代表性的是“有机染料激光器”，它使用有机染料（将染料分子溶解在有机溶剂中制成）作为介质，是一种可以通过溶解在有机溶剂中的染料分子连续选择波长（包括可见光）的“波长可调谐激光器”。这种激光器被广泛应用于光谱测量和分析等理学领域。 气体激光器：采用气体作为激光介质。与其他激光器相比，具有激光介质均匀且损耗少、输出功率高的特点。具有代表性的气体激光器之一是二氧化碳激光器（CO2激光器），因其输出功率高且适用于各种材料的加工和焊接而在工业领域中得到广泛应用。另外，还作为激光手术刀被用于医疗领域。 激光二极管（半导体激光器）的种类 激光二极管可以根据光的发射方向进行分类。 边发射激光器（EEL：Edge Emitting Laser）:采用将半导体的解理面用作反射镜、使光从解理面发射的结构。 面发射激光器（SEL：Surface Emitting Laser）：采用使光从半导体衬底表面垂直发射的结构。 垂直腔面发射激光器（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）：在半导体衬底表面的垂直方向上形成光学谐振腔，发出的激光束与衬底表面垂直。具有阈值电流小、能以低电流高速调制、温度稳定性好等特点，被广泛应用于光通信和传感器领域。 垂直腔面发射激光器 这些不同种类的激光二极管具有不同的特性，目前已根据它们的特性广泛应用在各种用途中。 激光二极管的封装 目前，激光二极管使用较多的封装形式是CAN封装，这种封装具有圆柱形的金属机身，前端有出光口。通常具有以下特点： 激光二极管的封装：CAN封装示例 激光二极管的封装：框架封装示例 外形尺寸：直径3.8mm～5.6mm，高度2.5mm～6mm。行业标准尺寸5.6mmφ CAN型封装是主流产品。在Quad Beam LD和部分通信系统中，会使用诸如9.0mmφ的较大尺寸产品。在注重成本的光盘领域，也使用框架采用树脂材质的产品。 机身材质：通常采用黄铜、不锈钢、铝等金属。出光口：前端有一个很细的窗口，激光从该窗口射出。出光口通常由硅或玻璃制成，直径范围约100μm～500μm。在注重成本的应用中，也会使用不带盖玻盖片的产品。 引脚排列：CAN封装通常有2个或3个引脚。如果是2个引脚，引脚分别用于激光二极管和PIN光电二极管；如果是3个引脚，则添加了温度感测用的引脚。 近年来，市场上也销售表贴型封装和裸芯片产品，预计激光二极管的应用领域会进一步扩大。 激光二极管的寿命 激光二极管的平均寿命取决于工作环境（使用温度、静电、电源噪声等），通常认为在正常条件（外壳温度25℃）下可连续点亮约10,000小时。如果使用时的工作温度高，会使使用寿命缩短，另外静电放电（ESD）也会导致故障。此外，电源产生的浪涌和噪声也可能会损坏激光器元件。 要想长期使用激光二极管，采用散热器等散热措施、充分的防静电和防浪涌措施、使用噪声滤波器、将输出控制在所需要最低限度等措施，都可以有效延长使用寿命。 激光器发射的光具有很高的功率密度，如果使用不当，即使很小的发射量，也可能会对人体造成伤害，非常危险。因此，使用前必须采取充分的安全措施。 激光二极管的应用 1. 光盘（CD、DVD、BD） 在CD、DVD、BD等被称为“光盘”的数字存储介质中，激光二极管可用于光学拾音器（用于播放和存储数据的装置）。可利用激光可读取（播放）音乐、视频等数据，反之还可以写入（存储）信息。 可利用激光来检测是否存在轻微的凹凸，并将其转换为声音和视频等电信号。CD主要使用红外激光器，DVD主要使用红光激光器。蓝光光盘和下一代DVD的拾音器主要使用蓝光激光器，因为波长越短，激光束越窄，就可以保存和播放更多的信息。 光盘应用示例 光的波长 2. 激光打印机、MFP（Multi-Function Printer，多功能打印机）等 聚光性优异的激光二极管适用于激光打印机和多功能打印机的感光应用。通过照射感光鼓将信号转移到纸上。激光打印机的打印速度快、打印质量好，因而被广泛应用于需要大量印刷的商业用途。 3. 光通信 适用波长1300nm～的红外激光器。这种激光器的功率损耗小，而且可以将大量信息转换成光信号并远距离传输，因而被用作光纤通信的光源。另外还适用于需要高速通信的无线通信系统中的光数据传输应用，在越来越需要长距离高速传输的通信领域，其精度也越来越高。 4. 激光显微镜 激光显微镜通过用激光照射对象物并检测其反射的光来观察对象物。通过使用波长比可见光短的激光，可用更高分辨率进行观察。 5. 激光笔、激光墨线仪 由于激光的直进性好，所以也适用于激光笔。另外还适用于在天花板和墙壁上标记垂直和水平的墨线仪，在建筑工地进行安装和施工时用来做标记。 6. 光学测距和3D传感器 激光二极管的线性度高，精度也高，因此还适用于光学检测。利用激光测量对象物的距离和形状的LiDAR（Light Detection and Ranging），适用于汽车的自动驾驶系统和航空测量，也适用于智能手机和AR耳机等应用。此外，在测速和引力波探测等众多领域的应用也在不断扩大。 7. 烟雾和粉尘传感器 激光二极管还可用作传感器的光源。通过激光与烟雾和空气中的微细粉尘碰撞并散射来检测是否有烟雾或粉尘。 8. 激光治疗 在医疗领域，可利用光动力效应进行疾病诊断和治疗、手术和放射治疗等，例如皮肤治疗、眼科手术、牙科治疗和内窥镜手术等，预计未来应用范围会进一步扩大。 9. 材料加工 激光二极管可以产生高输出功率的光，因此可用作金属、塑料、陶瓷等材料加工的光源。激光加工可实现高精度、高速加工，也适用于难加工材料的切割、钻孔等应用。 10. 娱乐 激光二极管还适用于现场表演、音乐会和投影映射等娱乐应用。利用激光的特性，可以打造出奇幻的演出效果。
01 高压上电流程 新能源汽车高压上电，即动力电池输出高压电，供给车辆高压用电设备，高压控制盒、电机控制器、驱动电机等。 图中MSD表示手动维修开关，V1监测MSD的连接良好、动力电池串联回路连接完好，V2监测预充电阻后的电压，V3监测对负载的预充电压，通过比较V1、V2、V3电压值来判断各接触器的连接状态，PTC加热元件对动力电池系统保温。 行车模式下的高压上电过程，VCU控制负极接触器闭合，再由BMS控制预充电接触器，在检测到预充电压达到目标电压值后，判断预充电成功，闭合正极接触器，断开预充接触器，完成行车模式的高压上电过程，通过对比分析V1、V2、V3电压值来判断各接触器的连接状况。 通过采集行车模式下正常上电过程V1、V2、V3电压值，绘制得到图2曲线图。 由图2可知，上电过程的t1时刻，动力电池系统MSD正常连接，模组之间串联良好，V1电压值为动力电池的额定电压500V；t2时刻，负极接触器闭合，此时V2与预充电阻串联（图1），V2电压低于V1；t3时刻，预充接触器闭合，动力电池系统开始对外部高压电器预充电，V2与V3并联，V2的电压被拉低，再V2与V3电压同时升高；t4时刻预充电完成V2=V3≥90%V1，闭合正极接触器；t5时刻预充接触器断开，上电完成。 02 控制策略 钥匙置ON挡后，VCU被唤醒，VCU自检完成之后，向CAN线发送第1帧报文请求闭合高压互锁回路使能，同时唤醒MCU以及BMS，BMS自检正常后监控互锁回路信号、检测高压回路绝缘状况，检查动力电池SOC状态，内部单体电压以及电池温度，判断整车当前的充电或是行车模式，符合高压上电条件后，执行上电程序。实时监控驾驶员的钥匙请求，当keyon=0后，进入低压电／高压电的下电流程。 其中，高压回路的绝缘状况检测，将动力电池高压电源作为检测电源，在动力电池的正负极以及车辆底盘之间建立桥式阻抗网络（图4）。通过控制电子开关管T1、T2的通断，改变A、B之间的等效电阻，通过计算BMS得到绝缘阻值，并进行绝缘性能的判定。 另外，整车在高压上电前须确保高压回路的完整性，使高压处于封闭的环境下运行，通常BMS发出并监测12V低压电气信号，检测高压部件、高压接插件、护盖等的连接完整性。 03 故障诊断 新能源汽车无法上高压，READY灯点亮失败，类似这种故障时有发生，且各品牌各车型都有出现类似案例，引起上电失败的原因也层出不穷。从上电过程总结，第1类初始化阶段，各控制器未完成自检，动力电池SOC太低，单体压差过大，动力电池过温／过冷；第2类如绝缘阻值过低，绝缘监测报故障；互锁回路不完整，无法监测到低压电气信号，报互锁故障；第3类执行高压上电阶段，接触器的非正常通断造成预充电的失败或超时。（图5、图6） 图5所示的上电故障发生在负极接触器闭合后的t2时刻，负极接触器闭合后，检测V2电压小于V1电压的50%，且未到t3时刻，预充接触器还未闭合，而V3电压逐渐升高，已经开始了预充电过程。于是设置判定条件：负极接触器闭合V2≤50%V1，且120~150ms后，V2电压达到V1电压的80%，则判定为预充接触器粘连故障。 图6所示的上电故障发生在t4时刻，预充完成，闭合正极接触器。由于正极接触器未能正常闭合，100ms后断开预充接触器，预充电容通过放电电阻释放电能，V3电压降低。于是设置判定条件为：闭合正极继电器，断开预充继电器后，V3电压没有达到V1电压的95%以上，则判定正极继电器断路。动力电池执行上高压阶段出现上电失败的其他案例，通过采集分析V1、V2、V3的电压数据，判定出在设定的上电时刻有没有执行相应的指令，从而推断出故障点的位置，如MSD的未连接或熔断器烧坏，负极接触器粘连、预充接触器粘连、预充电阻烧坏、正极接触器粘连等。 04 结论 针对新能源汽车上电故障问题，本文以某型纯电动汽车为例，分析其上电流程及控制策略，得出以下建议。1）各控制器自检未完成，检查各控制器的“ON”、“CHG”或“WAKEUP”信号以及相互间CAN通信状况。2）绝缘故障，检查高压线束破损情况，检查高压插接器有无泥沙杂物进入，分别检查高压部件、高压线束正负极对车身搭铁的绝缘阻值。3）高压互锁故障，依车型手册找出互锁回路连接状况，检查互锁回路的导通情况，检查互锁回路的电气信号。4）动力电池执行上高压阶段，通过采集分析V1、V2、V3的电压数据，判定出在设定的上电时刻有没有执行相应的指令，从而推断出故障点的位置。
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