I LASER A SEMICONDUTTORE

1. Corso di ottica quantistica I LASER A SEMICONDUTTORE Di Carla Linguardo 3 luglio 2002

2. 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…

3. 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

4. Cenni sui semiconduttori… I materiali si distinguono in isolanti ,conduttori e semiconduttori a seconda delle proprietà delle loro bande di valenza e conduzione • Conduttore • Conduttore • Semiconduttore • Isolante

5. 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

6. 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 Intrinseci estrinseci Ideali Con imperfezioni Semiconduttori Degeneri Non degeneri

7. Semiconduttori a gap diretto e indiretto • Gap diretto • Gap indiretto

8. 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 trascurareKp Ec –Ev =h Kc=Kp + K Quindi Kc= K Questo definisce le transizioni a gap diretto

9. 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.

10. 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

11. 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 MaEfc –Efv > Egap Sistema a 4 livelli dove Eo=Ef E3= Efc L’emissione stimolata avviene fra i livelli 2 e 1

12. 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

13. 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

14. 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

15. Ancora qualcosa sulla omogiunzione… • Bande • Indice di rifrazione • Guadagno • intensità • n.b. • lieve effetto di confinamento del fascio • Grosse perdite per assorbimento

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

17. …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

18. Eterogiunzione singola • Struttura asimmetrica • Confinamento dei portatori • Confinamento ottico

19. Doppia eterogiunzione • Struttura simmetrica e non • Guida d’onda rettangolare • Perdite minori

20. 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

21. Proprietà generali-1 Caratteristiche corrente-potenza InGaAsP AlGaAs T=120 C T=22 0C T=460 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

22. 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…

23. Proprietà generali-3 Astigmatismo Altra conseguenza… Problemi nel collimare il fascio…

24. Proprietà generali- 4 lunghezza d’onda - temperatura La temperatura fa variare l’indice di rifrazione,di conseguenza varia il cammino ottico ,quindi la lunghezza d’onda permessa…

25. Fine