I LASER A SEMICONDUTTORE Di Carla Linguardo Corso di ottica quantistica 3 luglio 2002.
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I LASER A SEMICONDUTTORE
Di
Carla Linguardo
Corso di ottica quantistica
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…
• 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 imperfezioniDegeneri
Non degeneri
Semiconduttori a gap diretto e indiretto
a) Gap direttob) Gap indiretto
I semiconduttori interessanti per la costruzione di un laser sono
solo quelli a gap diretto
Ec –Ev =h
Kc=Kp + K
Per le transizioni dal vicino infrarosso,visibile e vicino ultravioletto si può trascurare Kp
Quindi
Kc= K
Questo definisce le transizioni a
gap diretto
Esempi di semiconduttori
GaAS InPInAs
a gap diretto 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
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
omogiunzione
Profilo delle bande di una giunzione p-n in assenza di polarizzazione
Profilo delle bande della stessa giunzione polarizzata direttamente
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)
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
Strutture di base
Esempi di strutture multistrato
…facciamo il punto della situazione con uno schema…
…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
Caratteristiche corrente-potenzaProprietà generali-1
T=120 C
T=22 0C
T=460 C
Is(T) =I0exp(T/T0)
AlGaAs InGaAsP
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-2Apertura 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- 4lunghezza d’onda - temperatura
La temperatura fa variare l’indice di rifrazione,di conseguenza varia il cammino ottico ,quindi la lunghezza d’onda permessa…
Fine