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