I LASER A SEMICONDUTTORE

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I LASER A SEMICONDUTTORE
Corso di ottica quantistica

• Di
• Carla Linguardo
  

3 luglio 2002
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Scopo del seminario
Descrizione dei principi di funzionamento dei
laser a semiconduttore e delle strutture
fondamentalidalla giunzione p-n a strutture
multistrato più complesse
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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

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Cenni sui semiconduttori
I materiali si distinguono in isolanti
,conduttori e semiconduttori a seconda delle
proprietà delle loro bande di valenza e conduzione

1. Conduttore
2. Conduttore
3. Semiconduttore
4. Isolante

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Semiconduttoria 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 unenergia di gap tipica non
  più alta di 2eV

Si può aumentare la conducibilità tramite
drogaggio

• Tipo n
• Tipo p

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Gli elettroni si distribuiscono nei livelli
energetici secondo la statistica di Fermi-Dirac
T 0 ha il seguente significato fisico f 1
se EltEf f 0 se Egt Ef
Il livello di Fermi stabilisce quindi il limite
tra bande occupate per T0
Nel caso di semiconduttori ideali il livello di
Fermi si trovo esattamente a metà della banda
proibita fra banda di valenza e conduzione
Intrinseci estrinseci
Ideali Con imperfezioni
Semiconduttori
Degeneri Non degeneri
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Semiconduttori a gap diretto e indiretto

1. Gap diretto
2. Gap indiretto

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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?  KcKp K?
Quindi Kc K? Questo definisce le transizioni a
gap diretto
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Esempi di semiconduttori
a gap diretto
a gap indiretto
GaAS InP InAs
Ge Si
Oltre ai composti binari appena visti, nei laser
vengono usati anche composti ternari ,come
AlGaAs, o quaternari.
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Come realizzare emissione stimolata
Per avere unidea 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
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In tale situazione un fotone con energia pari a
quella di gap non può essere assorbito.
Lenergia minima perché venga assorbito è che la
sua energia sia pari a Efc Ef
Ma Efc Efv gt Egap
Sistema a 4 livelli dove EoEf E3 Efc
Lemissione stimolata avviene fra i livelli 2 e 1
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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
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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
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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
  allallargamento di tale zona

La tensione di polarizzazione ha leffetto di
abbassare la barriera di potenziale
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Ancora qualcosa sulla omogiunzione

1. Bande
2. Indice di rifrazione
3. Guadagno
4. intensità

• n.b.
• lieve effetto di confinamento del fascio
• Grosse perdite per assorbimento

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facciamo il punto della situazione con uno
schema
Strutture di base
Esempi di strutture multistrato
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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

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Eterogiunzione singola

• Struttura asimmetrica
• Confinamento dei portatori
• Confinamento ottico

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Doppia eterogiunzione

• Struttura simmetrica e non
• Guida donda rettangolare
• Perdite minori

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Esempi di di strutture multistrato

• Tipo stripe (striscia)
• Zona attiva più stretta
• Geometria di tipo gain guided

• Eterostruttura sepolta (BH)
• Geometria di tipoindex guided
• Maggiore confinamento ottico

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Proprietà generali-1
Caratteristiche corrente-potenza
InGaAsP
AlGaAs
T120 C
T22 0C T460 C
Is(T) I0exp(T/T0)
La densità di corrente di soglia è limitata dallo
spessore minimo che può avere la zona attiva
perché il confinamento ottico sia efficace
AlGaAs
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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
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Proprietà generali-3
Astigmatismo
Altra conseguenza Problemi nel collimare il
fascio
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Proprietà generali- 4
lunghezza donda - temperatura
La temperatura fa variare lindice di
rifrazione,di conseguenza varia il cammino ottico
,quindi la lunghezza donda permessa
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Fine