LED LASER

Láser Semiconductor
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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
LED LASER - LD
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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
LED LASER - LD
• 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
Haz Laser
Zona P
Medio activo
Zona N
Reflector
100%
Reflector
99%
LED LASER - LD
• 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.
LED LASER - LD
Zona P
Zona N
Zona N
Zona P
NF
NF
Juntura PN LED en equilibrio
Juntura PN Láser LED en equilibrio
NF Nivel de Fermi
Zona N y P altamente contaminadas
LED LASER - LD
Recombinación
NF en zona N
Zona P
Zona N
NF en zona P
NF
Foton Eg =h*f
Juntura PN Láser LED con
Polarización directa
Juntura PN Láser LED en equilibrio
Zona N y P altamente contaminadas
LED LASER - LD
Contacto Metálico
GaAs Tipo N
Zona activa de GaAs
GaAs Tipo P
Divergencia
Lateral
Contacto Metálico
Laser
Láser Semiconductor
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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
LED LASER - LD
LED LASER - LD
• 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
LED LASER - LD
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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 Ga1-x Alx 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 Ga1-x Alx 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.
LED LASER - LD
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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
Ga1-x Alx As
n2
n1
GaAs
Ga1-x Alx As
LED LASER - LD
Corriente
Contacto Metálico
Dioxido de GaAs
Divergencia
Sustrato de GaAs Tipo N
Ga1-x Alx As Tipo N
Región activa de GaAs
Ga1-x Alx As Tipo P
Sustrato de GaAs Tipo N
Dioxido de GaAs
Divergencia
Circuito Básico de Operación de un LD (laser Diodo)
Flujo
Radiante
Modulado
ITH
Señal de
Modulación
IPolarización
Circuito Básico de Operación de un LD (laser Diodo)
+Vcc
+
Señal
-
Realimentación
proporcional al
flujo emitido
PD
LD
0V