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Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica

Física de Láseres

Láseres Semiconductores

Por:Israel E. Lazo Martínez

Abril 2004

Contenido

Introducción. Teoría de semiconductores. Bandas de energía. Uniones PN. Luminiscencia. Tipos de cavidad. Aplicaciones. Referencias

Introducción

Hoy en día los láseres semiconductores se encuentran en casi todas partes, ya que resultan ser muy versátiles y muy fáciles de implementar; los podemos encontrar en aplicaciones de fibra óptica, reproductores de CD, reproducción de películas en formato DVD etc.La mayoría de los materiales semiconductores están basados en una combinación de elementos del grupo tres y del grupo cinco de la tabla periódica.Entre los materiales más comunes se encuentra el GaAs, AlGaAs, InGaAs.

Espectro de emisión

La emisión láser en onda continua se encuentra normalmente entre los 630 y 1600nm, pero recientemente el láser semiconductor InGaN genera una onda continua a los 410nm a temperatura ambiente.

Elementos básicos de la teoría

de semiconductores

Bandas de energía y emisión de luz

Las propiedades ópticas y eléctricas de los semiconductores se describen mejor en términos de los diagramas de niveles de energía.

WG

Energía del electrón

WG

Energía del electrón

Banda de valencia

Banda de conducción

Fig. 1. Diagramas de las bandas de energía para los semiconductores tipo n y p.

Tipo P Tipo N

Impurezas de los iones negativos. Huecos

Impurezas de los iones positivos. Electrones

Materiales tipo P y tipo N

Región de agotamiento libre de portadores de carga

Los electrones mayoritarios y los huecos cruzan la unión por difusión, a donde pueden recombinarse

P N

Unión PN

Electrones mayoritariosElectrones minoritarios

Huecos minoritariosHuecos mayoritarios

Energía del electrón

Distancia a través del cristal

qV0

Diagrama de la estructura del nivel de energía de la unión compuesta PN

Luminiscencia en inyección.

Ahora consideraremos lo que sucede cuando una corriente es inyectada a través del diodo.

Electrones mayoritarios

Electrones minoritarios

Huecos minoritarios

Huecos mayoritarios

Energía del electrón

Distancia a través del cristal

qV0

Emisión de la radiación

La longitud de onda mas larga que es posible emitir, correspondiente a un electrón que se desplaza de la parte inferior de la banda de conducción hasta la parte superior de la banda de valencia, esta dada por:

Gc W

hc

Donde WG es la energía de la banda prohibida

Diferentes uniones de materiales semiconductores

Transiciones radiativas

Hay tres transiciones radiativas que son importantes en un láser semiconductor.

La cavidad

La cavidad está formada por dos espejos paralelos, de modo que la luz generada dentro dela cavidad sea parcialmente reflejada dentro del cristal. Es común en este tipo de láseres tener como espejos a las mismas obleas semiconductoras

Tipos de emisión debidos a la cavidad

En los láseres semiconductores, existen dos formas de emisión debido a la cavidad, por lo mismo estos se clasifican en:

Láseres de emisión horizontal. Láseres de emisión vertical.

Láseres de emisión horizontal

Láseres de emisión vertical

Ejemplos

Aplicaciones

 Comunicaciones (fibra óptica)

Equipo electrónico (reproductores de CD)

   Espectroscopia

   Medicina

   Informática (DVD)

Bibliografía 1)      J. Watson, Optoelectrónica, Ed. Limusa, 1993. 2)      http://vcs.abdn.ac.uk/ENGINEERING/lasers/semi.html 3)      http://www.powertechnology.com/TECHLIB/BEAMCHAR/BEAMCHAR.HTM 4)      http://www.columbia.edu/cu/mechanical/mrl/ntm/level2/ch02/html/l2c02s12.html 5)      http://www.sandia.gov/1100/X1118VECSEL.htm 6)      http://jupiter.phys.ttu.edu/corner/1998/feb98.pdf 7)      http://www.laserphysics.kth.se/optronic/Semiconductor_lasers.pdf 8)      http://www-opto.e-technik.uni-ulm.de/forschung/jahresbericht/1998/ar98gj.pdf 9)      http://www.mtmi.vu.lt/pfk/funkc_dariniai/diod/led_laser.htm 10)  http://engphys.mcmaster.ca/undergraduate/outlines/PDFs/Lecture%2034%20%20Sources%20Part%20II.pdf