半导体激光器是利用半导体晶体产生激光的器件。主要激励方式有：PN结注入电流激励、电子束激励，光激励、碰撞电离激励等。目前研究和应用最多的是PN结注入电流激励。
构成半导体激光器的核心是半导体晶体，其由于能级分裂会形成导带、禁带和价带。导带和价带间的禁带宽度用Eg表示。当价带中的电子受到外界作用激发，跃迁到导带时，价带同时会产生一个空穴（可视为正电荷），电子和空穴皆可导电，统称为“载流子”。
当P型半导体和N型半导体接触时，就会形成PN结，此时由于PN半导体之间内建电场形成，阻止载流子进一步扩散
半导体中的光发射通常由于载流子复合。当半导体PN结外加正向电压使得PN结势垒下降，电子注入N区，空穴注入P区，将会发生复合而发射某种波长的光子。复合发出光子的波长由半导体禁带宽度Eg确定：λ=hc/E_{g}。
当然，并非所有材料在电子和空穴的复合时都发出光波，有的材料会有一部分能量转化为热耗散而不产生光，这就会导致发光效率的降低。通常直接带隙半导体作为发光材料是很好的选择，例如砷化镓（GaAs）等。
上述这种半导体中电子和空穴自发复合产生的光发生称为自发辐射。当这种自发辐射产生的光子通过半导体内已激发的电子-空穴对附近时，就能激励二者复合再产生一个新的光子，这样的一个过程被称为受激辐射。这样如果注入电流足够强，再加上谐振腔的反射反馈足够克服吸收、散射等损耗，就能通过受激辐射加速光子的产生，由此产生激光。半导体激光二极管（LED）就是基于这种受激辐射产生的激光。
如图就是半导体激光二极管的基本结构。通过对入射出射平面抛光形成法布里-珀罗（F-P）谐振腔，另一对面弄粗糙消除其他方向激光作用。当激光二极管施加正向偏压时，就会产生自发辐射，随着电压上升，在半导体内到达一个阈值电流时，开始发生受激辐射，从PN结就会发射出高定向性激光。
当电流通过半导体激光器，自发辐射和受激辐射形成的粒子数反转而产生光，由于F-P腔的反射，光子多次来回通过粒子数反转区，产生倍增。当平面间距离为半波长的整数倍时，在激光二极管内形成驻波，模数m可由半波长数值得出：m=2Ln/λ。L为两端面距离，n为激光介质折射率。模的间隔由dm/dλ确定，考虑到n随波长变化很快
取dm=-1是因为m值减小1对应于F-P腔端面间减少一个半波长，即波长λ增加。
通常激光二极管会存在几个纵模，造成光谱展宽，需要抑制主模外的其他模实现单模工作。
低温时激光器纵模结构比较清晰，但温度变高时会出现“丝状发光”现象，激光峰值也向长波移动，工作波长的改变会降低半导体激光器的发光效率。
谐振腔的中的光以模的形式存在，每个模都有自己的传播常数βm和横向电场分布，也就是横模。横模经端面射出后形成辐射场，辐射场的角分布沿平行和垂直结面方向分别称为侧横场和正横场。通常谐振腔横向尺寸越小，辐射场发散角越大。由于谐振腔平行于结面的宽度远大于垂直于结面的厚度，侧横场发散角远小于正横场，光限制仅在一个横场方向，因此半导体激光器输出的激光偏振度很高。
(1)电流较小时，注入载流子较少，辐射复合不足 以克服吸收的作用，此时发出光为荧光，光强较弱， 带宽较宽，增益 G ＜ 0 。
(2)电流增大后，注入载流子增多，最后导致 G ＞ 0 ， 受激辐射起主导作用，发出很强的光，但仍属于荧 光，没有建立一定模式的振荡，所以带宽仍较宽， 此现状称为超辐射 。
(3)若电流进一步增大，使得 G值满足阈值条件，这 时发出的光才称为激光，带宽较窄，光强更强。
当电流超过阈值时，会出现从非受激辐射到受激射 的突变，对应光功率对激励电流曲线上斜率的急速突变。
随着注入电流增加，受激辐射的纵模向长波方向平移，并且当电流增加到某一值时， 出现模的跃变，主纵模转移到另外的纵模上。这是模式竞争的结果。
激光器发射的光主要在垂直法布里－泊罗面的方向上。但有部分光子会扩散到结两端的非有源区，光强（光子密度）横向空间分布如下图所示：
这意味着仅有d/D的部分光子数处在有源区并通过受激辐射产生新的光子，这种效应降低了器件的有效增益。
下面推导产生激光所需电流密度表达式，设谐振腔端面功率反射系数为R，腔长为L，腔内损耗系数α，增益系数为g，对于腔内震荡，有
其中ηin为内量子效率，Δv为自发辐射线宽，e是电子电荷，则能够获得需注入阈值电流密度为：
可以注意到，由于光子扩展到无源区导致D的增大，使得阈值电流明显地增加，应尽量使得d/D=1以获得最佳性能，这涉及到“场限制”半导体激光器。
Pin是激光器内部产生的光功率，L为长度，W是宽度，v是激光频率，Pout是两个端面的输出功率，于是，包括串联电阻效应在内的器件总功率效率为
半导体激光器的效率随温度上升而下降，首先是因为温度上升，吸收α增加，其次量子效率ηin降低（热激发使电子空穴能量分布较宽，具有适当能量间隔与受激辐射起作用的电子-空穴对较少）。
时间响应指半导体激光器发光随注入电流而变化的快慢程度。它决定于注入的非平衡载流子的寿命τs。
激光器响应时间室温下只有数纳秒，理论上直接调制的上限可达近千兆赫兹调制频率。
定义：PN结采用同种材料制得，由于电子迁移率高于空穴，同质结半导体激光器有源区偏向于P区一侧
同质结半导体激光器阈值电流密度高且随温度发生剧烈变化。正向电压下，PN结空间电荷区可忽略不计，有源区厚度大多数来源于P区电子扩散长度（随温度增加而增加），室温时可达5um，则需要大的注入载流子浓度来保证如此厚的有源区实现粒子数反转。
室温下，结附近存在一个小的折射率台阶，使得形成类似光纤（中间折射率高，两边折射率低，因此对光有限制作用）的光波导效应。而温度的升高则会使得折射率台阶被削弱，导致更多的光子进入非有源区，导致光波传播特性变坏。
因此要降低阈值电流，需要：将注入载流子有效限制在比电子扩散长度小得多的区域内实现受激辐射，以及讲产生的光子在垂直腔长方向上有效限制。因此异质结激光器得以出现。
GaAS/GaAlAs可形成异质结，异质结势垒起到了限制载流子的作用，双异质结的Ga1-xAlxAs的x可取大一些以加强对光波的限制，因为折射率随Al含量的增大而增大，通常x~0.3-0.5。导带不连续对注入电子形成势垒。把它们限制在 p区。n-p结价带的不连续对空穴 形成势垒，把它们限制在n区。来提升了注入效率。
有源层厚度d对阈值电流密度影响很大，过大的d会失去对载流子的限制作用，过小的d会增加损耗。
单异质结激光器多属脉冲器件，适用于大功率输出的场合。而双异质结激光器对光和载流子能起到更加的限制作用，加上良好的散热装置，能得到低阈值电流密度的室温连续器件。一般都会采用多层结构和条形结构
激光振荡是由周期结构（或衍射光栅）形成光耦合提供的，不再由解理面构成的谐振腔来提供反馈，有点事易于获得单模单频输出。
制作方法：在激活层GaAs内制备周期性波纹结构，当激活区介质增益与光栅波纹深度满足一定要求时，就可以输出激光，激光波长与光栅周期存在一定关系。光栅一般会用离子刻蚀法制备。
通过布拉格反射原理，平行线表示晶体的一簇晶面，面间距d，设光线以布拉格角θB射向这族晶面，并以θB反射，产生相长干涉的条件是：
λ为介质中光波长，对于激光器，为垂直入射，即θB为90°，将d换成光栅周期Λ，有
波长选择性：反射端面激光器的光发射波长，由增益谱和激光器纵模特性共同确定，DFB很容易实现单纵模工作，改变光栅周期Λ，可在一些范围内有控制地选择激光器的发射波长。
发射光的线宽窄：发射谱线的宽度由激光器的增益谱和腔体选模特性的卷积确定。
在激光器两端使用两个布拉格光栅，光栅在激励有源区外面，不仅避免了光栅制作的步骤中的晶格损伤引起的非辐射复合，而且在有源区外面放置两个光栅镜面，可以单独制作以获得激光器单独输出。由于有源区和波纹光栅分开，减小了损耗，提高了发光效率，降低了阈值电流，以实现室温连续工作。
GaAs和GaAlAs形成突变结构构成突变结构，当每一层厚度都很薄时，在GaAs层出现势阱。
随着量子阱个数的增加，能级劈裂的数目成比例增加，当量子阱个数趋于无穷多个时，单量子阱中的单个量子化能级必然扩展成能带，这就在原来的导带中形成许多子带，子带之间有禁带。电子除了能沿量子阱平面自由运动，也可以在子带内沿z方向运动。
改变激光波长：量子阱激光器的受激辐射来自导带中的基态电子和价带中基态空穴的复合，导带和价带中基态间的能极差随势阱宽度而改变，减小势阱宽度课获得短波长激光发射。
阈值电流小：允许带中单位能量间隔内的粒子密度较高，因而达到粒子数反转所需的阈值电流就小。
高温度稳定性：能带之间有禁带，温度在一些范围内变化时，不可能会导致载流子分布的扩展，从而大幅度的提升了激光器工作的稳定性。
