Láser Semiconductor Relacionando con la teoría de láser: Al medio activo lo provee la juntura P-N altamente contaminada. Esta juntura está formada por materiales N y P degenerados por su alta contaminación. La cavidad resonante de Fabry Perot se logra en la pastilla semiconductora de la Juntura al terminar de forma recta y pulida el material. La reflexión se produce por la discontinuidad entre el medio semiconductor y el aire. La dirección en la que se forma la cavidad es paralela al plano de la juntura PN y está en la zona de deplexión, que es la zona activa del semiconductor La inversión de la población se logra en la juntura por la inyección de electrones provistos por la corriente de polarización directa. Justo en la zona de juntura se logra la inversión de población. La Oscilación láser se logra cuando la ganancia a lo largo del recorrido del has en el LD es mayor que las perdidas sufridas en el camino. Las principales perdidas son debidas a las inhomogeneidades, impurezas, y al fenómeno de absorción. El resonador óptico, que es el que provee la realimentación óptica se forma debido al alto índice de refracción del material semiconductor, que permite que la reflectancia en las paredes sea suficientemente grande, lo que hace que las mismas actúen como espejos reflectores. Este LD es el llamado Láser de Fabry Perot
Para convertir un LED en un LED LASER relacionemos la teoría del LED con la teoría de láser: El LED está formado por una juntura PN de material semiconductor directo como el Arseniuro de Galio Ga As. En un LED la corriente de polarización directa que es la que produce una inyección de portadores minoritarios que se recombinan produciendo la emisión de fotones y que es una emisión espontánea produciendo emisión incoherente. Para el LED la respuesta espectral determina el ancho de línea, que es bastante angosta, casi monocromática La respuesta en frecuencia está determinada por los tiempos de conmutación tr y tf de los parámetros eléctricos (capacidades) Para obtener un LASER (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación) se necesitan tres condiciones básicas: El medio activo en condiciones. La excitación o Bombeo para producir la inversión de población La cavidad resonante
Al medio activo lo provee el material semiconductor de la juntura P-N. La excitación o Bombeo la produce la corriente que inyecta portadores minoritarios de muy alto nivel. La cavidad resonante formada por los espejos reflectores la forma las paredes espejadas del LED
Láser Semiconductor La Excitación Bombeo es la corriente del diodo Zona P Zona N Medio activo Haz Laser Reflector 100% Reflector 99%
Para que la corriente directa produzca la inversión de la población, o sea tener una región del dispositivo donde existan gran cantidad de electrones libres y estados vacantes o huecos disponibles en menor proporción, se logra en una juntura altamente contaminada N y P. Esta juntura está formada por materiales degenerados por su alta contaminación. Se puede observar en las figuras en condiciones de equilibrio y con polarización directa. Cuando se tiene polarización directa, justo en la juntura se logra la inversión de población. La oscilación láser se logra cuando la ganancia a lo largo del recorrido del has en el LD es mayor que las perdidas sufridas en el camino.
Zona P Zona N Zona N Zona P N F N F Juntura PN LED en equilibrio NF Nivel de Fermi Juntura PN Láser LED en equilibrio Zona N y P altamente contaminadas
Recombinación LED LASER - LD N F en zona N Zona P Zona N N F en zona P Juntura PN Láser LED con Polarización directa Foton E g =h*f N F Juntura PN Láser LED en equilibrio Zona N y P altamente contaminadas
Contacto Metálico GaAs Tipo N Zona activa de GaAs Divergencia Lateral GaAs Tipo P Contacto Metálico Laser
Láser Semiconductor Es importante destacar que la acción de amplificación óptica es transversal al sentido de circulación de corriente. Otra cuestión importante a destacar es que las densidades de corriente que se manejan son muy altas del orden de 400A/cm2. Esto hace que este LD no pueda funcionar en forma continua por la gran disipación de energía que provoca. Debe Trabajar en forma pulsante. Otra cuestión a destacar es la radiación o potencia lumínica emitida en función la corriente de polarización.se observa netamente una corriente de umbral, llamada corriente de laseo a partir de la cual aparece el efecto láser, o sea que el haz de luz es coherente. Por debajo de este valor de corriente umbral de laseo, la emisión es espontánea, o sea luz incoherente. En esta región el diodo no es mas que un LED de potencia. Se observa que el índice de refracción en la zona activa o zona de inversión de población es mayor comportándose como una guía de onda dentro del material
Las principales perdidas son debidas a las inhomogeneidades, impurezas, y al fenómeno de absorción. El resonador óptico, que es el que provee la realimentación óptica, se forma debido al alto índice de refracción del material semiconductor, que permite que la reflexión en las paredes sea suficientemente grande, lo que hace que las mismas actúen como espejos reflectores. Este LD es el llamado Láser de Fabry Perot
HETEREOJUNTURA LASER Como resultado de procesos de investigación se logró reducir drásticamente la corriente de laseo a partir de hacer un sandwich de GaAs de bajo Eg (Banda Prohibida) entre dos zonas de alto Eg de Ga 1-x Al x As (Arseniuro de Galio Aluminio) como se indica en la figura. Cuando se contamina el Ga con aluminio en la proporción x se logra ensanchar el ancho de la banda prohibida (Eg). Si el material es tipo P el ensanchamiento se hace hacia la banda de conducción. Si el material es N el ensanchamiento se hace hacia la banda de valencia. Con esto se logra tener la mayor probabilidad de recombinación en la zona de juntura, debida a que es la zona más probable de recombinación inducida, pues las zonas vecinas son mas anchas y por lo tanto corresponden a otra longitud de onda. También en esta zona es justo en la juntura dónde se produce la inversión de población. Como ya se dijo: índice de refracción en esta zona central de GaAs es mayor que en las dos zonas adyacentes de Ga 1-x Al x As, pues esta contaminación con Aluminio tiene la propiedad de hacer reducir el índice de refracción, formándose como el núcleo de una fibra óptica que hace de guía de onda de la radiación óptica generada.
Se observa que el índice de refracción en la zona activa o zona de inversión de población es mayor comportándose como una guía de onda dentro del material Índice Refracción n2>n1 n1 n2 n1 Ga 1-x Al x As GaAs Ga 1-x Al x As
Corriente Contacto Metálico Divergencia Dioxido de GaAs Sustrato de GaAs Tipo N Ga 1-x Al x As Tipo N Región activa de GaAs Ga 1-x Al x As Tipo P Sustrato de GaAs Tipo N Dioxido de GaAs Divergencia
Circuito Básico de Operación de un LD (laser Diodo) Flujo Radiante Modulado I TH I Polarización Señal de Modulación
Circuito Básico de Operación de un LD (laser Diodo) +V cc Señal + - Realimentación proporcional al flujo emitido PD LD 0V