Corso di ottica quantistica
I LASER A
SEMICONDUTTORE
Di
Carla Linguardo
3 luglio 2002
Scopo del seminario
Descrizione dei principi di funzionamento dei laser a
semiconduttore e delle strutture fondamentali:dalla
giunzione p-n a strutture multistrato più complesse…
Più in dettaglio…
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Cenni sui semiconduttori
Come avere emissione stimolata…
Strutture di base e loro caratteristiche
Esempi di strutture multistrato
Proprietà generali di un diodo laser
Cenni sui semiconduttori…
I materiali si distinguono in isolanti ,conduttori e semiconduttori a
seconda delle proprietà delle loro bande di valenza e conduzione
a) Conduttore
b) Conduttore
c)
Semiconduttore
d) Isolante
Semiconduttori:a basse temperature sono isolanti, con il crescere
della temperatura aumenta la conducibilità ,ciò li differenzia
nettamente dai conduttori
•A T= 0 K la banda di valenza è totalmente occupata
•A T= 300 K hanno un’energia di gap tipica non più alta di ~ 2eV
Si può aumentare la conducibilità tramite drogaggio
•Tipo n
•Tipo p
Gli elettroni si distribuiscono nei livelli energetici secondo la
statistica di Fermi-Dirac
T 0 ha il seguente significato
fisico
f= 1 se E<Ef
f= 0 se E> Ef
Il livello di Fermi stabilisce quindi il limite tra bande occupate per
T=0
Nel caso di semiconduttori ideali il livello di Fermi si trovo esattamente a metà
della banda proibita fra banda di valenza e conduzione
Semiconduttori
Intrinseci
estrinseci
Ideali
Con imperfezioni
Degeneri
Non degeneri
Semiconduttori a gap diretto e indiretto
a) Gap diretto
b) Gap indiretto
I semiconduttori interessanti per la costruzione
di un laser sono solo quelli a gap diretto
Per le transizioni dal
vicino infrarosso,visibile e
vicino ultravioletto si può
trascurare Kp
Ec –Ev =h
Kc=Kp + K
Quindi
Kc= K
Questo definisce le transizioni a
gap diretto
Esempi di semiconduttori
a gap diretto
GaAS
InP
InAs
a gap indiretto
Ge
Si
Oltre ai composti binari appena visti, nei laser
vengono usati anche composti ternari ,come
AlGaAs, o quaternari.
Come realizzare emissione stimolata…
Per avere un’idea intuitiva…
Immaginiamo di fornire in qualche modo energia agli elettroni nella
banda di valenza così da portarli nella banda di conduzione,dopo un
tempo di ~10-23 sec questi decadono nei livelli più bassi…
Nuovo equilibrio
In tale situazione un fotone con energia pari a quella di gap non
può essere assorbito.
L’energia minima perché venga assorbito è che la
sua energia sia pari a Efc –Ef
Ma Efc –Efv > Egap
Sistema a 4
livelli dove
Eo=Ef
E3= Efc
L’emissione stimolata avviene fra i livelli 2 e 1
Come si realizza in pratica
omogiunzione
La struttura più semplice è costituita da un diodo in cui le
due parti p e n sono fortemente drogate,ciò in sostanza
equivale a dire che sono fortemente degeneri…
La concentrazione di portatori è almeno 1018 atomi /cm3
Profilo delle bande di
una giunzione p-n in
assenza di
polarizzazione
Le bande vengono deformate dal
potenziale V(x) che si crea in
seguito alla ricombinazione di
elettroni e lacune
E(x)= E+ (- e) V(x)
Profilo delle bande
della stessa giunzione
polarizzata
direttamente
Vediamo meglio cosa accade…
Appena messe in contatto le
due giunzioni,si crea una
corrente di elettroni e in un
verso e di lacune in un altro
Conseguenza:
•Zona di svuotamento in
prossimità della giunzione
•Barriera di potenziale che si
oppone all’allargamento di
tale zona
La tensione di
polarizzazione ha l’effetto
di abbassare la barriera di
potenziale
Ancora qualcosa sulla omogiunzione…
a)
Bande
b)
Indice di rifrazione
c)
Guadagno
d)
intensità
n.b.
•lieve effetto di confinamento del
fascio
•Grosse perdite per
assorbimento
…facciamo il punto della situazione con uno schema…
Strutture di base
Esempi di strutture
multistrato
…abbiamo parlato dell’ omogiunzioni … introduciamo ora le
Eterogiunzioni
Diversamente dalle omogiunzioni sono costituite da due differenti
semiconduttori uno di tipo p e uno di tipo n con diverse energie di gap
•Uso di composti binari
,ternari,quaternari
•Si scelgono con struttura
cristallina simile
•La scelta dei materiali e delle
dimensioni dei vari strati
dipende dalle applicazioni
Eterogiunzione singola
•Struttura asimmetrica
•Confinamento dei portatori
•Confinamento ottico
Doppia eterogiunzione
•Struttura simmetrica e non
•Guida d’onda rettangolare
•Perdite minori
Esempi di di strutture multistrato
Tipo “stripe” (striscia)
•Zona attiva più stretta
•Geometria di tipo “gain
guided”
Eterostruttura sepolta (BH)
•Geometria di tipo”index
guided”
•Maggiore confinamento
ottico
Proprietà generali-1
Caratteristiche corrente-potenza
AlGaAs
InGaAsP
T=120
C
T=22 0C
T=460 C
Is(T) =I0exp(T/T0)
AlGaAs
La densità di corrente di soglia è limitata
dallo spessore minimo che può avere la
zona attiva perché il confinamento ottico
sia efficace…
Proprietà generali-2
Apertura angolare
Le ridotte dimensioni della finestra di uscita fanno divergere il
fascio,questo ha sezione ellittica poiché la forma della finestra è
rettangolare…
Proprietà generali-3
Astigmatismo
Altra conseguenza…
Problemi nel collimare il
fascio…
Proprietà generali- 4
lunghezza d’onda - temperatura
La temperatura fa variare l’indice di rifrazione,di conseguenza varia
il cammino ottico ,quindi la lunghezza d’onda permessa…
Fine