Laseri cu semiconductori

Spre deosebire de atomi si molecule unde miscarea electronilor de valenta este localizata intr-un domeniu mic, de ordinul 10^-8cm, in corpul solid ele se pot deplasa in tot volumul macroscopic, trecand de la atom la atom prin retea cristalina. Dupa caracterul lor miscarea electronilor de valenta in cristale ocupa o pozitie intermediara intre miscarea in cadrul atomului si deplasarea electronilor liberi in vid. In atomi, electronii pot avea numai anumite valori bine determinate ale energiei, formand un ansamblu de nivele energertice discrete. Electronii liberi, dinpotriva, se pot misca cu orice energie, formand un spectru energetic continu, valoarea energiei poate varia de la zero la infinit ( starea atomului ionizat ). Electronii puternic legati de nucleu in straturile interioare raman localizati in atomi individuali. Electronii externi, de valenta, sunt legati mult mai putin de nucleu si se pot deplasa aproape liber in retea cristalina trecand de la atom la atom. Valorile posibile ale energiei acestori electroni formeaza un domeniu cvasicontinu- zone energetice, constand dintr-un numar foarte mare de nivele apriopiate. Zona energetica este cu atat mai larga cu cat electronul este mai slab legat de atom. Caracterul zonal al spectrului energetic, al starilor electronice in cristale, a permis lamurirea multor probleme fundamentale ale corpului solid si inainte de toate a exixtentei metalelor, semiconductoarelor si dielectricilor, la care, la aceeasi valoare a distantei interatomice si a energiei de interactiune, conductibilitatea electrica difera cu 25 ordine de marime, ( de la ~ 10⁶ ohm^-1cm^{- 1} pentru metale la ~ 10^-19 ohm^-1cm^-1 pentru dielectrici ).

Zona complet ocupata in cristale se numeste zona de valenta, iar cea ocupata partial sau complet goala, zona de conductie.

In cristale nemetalice miscarea termica aduce o parte a electronilor din zona de valenta in cea de conductie. Din acest motiv numai la temperatura de zero absolut corpul devine izolator ideal. Daca la T 0, largimea intervalulului dintre zona ocupata si cea vacanta - acest interval se numeste fanta energetica sau zona interzisa- este mare ( cativa ev,) atunci concentratia electronilor in zona de conductie este mica si cristalul ramane dielectric la toate temperaturile reale. Daca insa zona interzisa este destul de ingusta 1 ev ), conductibilitatea ia valori semnificative chiar si la temperatura camerei. Asemenea corpuri sunt semiconductoare.

Proprietatile electrice, optice, mecanice inclusiv cele termice si magnetice sunt determinate de electrionii de valenta. Din aceasta cauza teoria zonala ce trateaza legile de miscare ale electronilor de valenta, joaca un rol fundamental in fizica corpului solid.

Fiecare zona consta dintr-un numar foarte mare de nivele energetice foarte apropiate intre ele. Se poate arata ca numarul nivelelor este de ordinul numarului de atomi dintr-un semiconductor. Conform principiului lui Pauli, pe fiecre nivel energetic nu pot sta mai mult de un singur electron. In acest caz, probabilitatea de populare f(E) a oricarei stari este determinat de statistica Fermi- Dirac, , unde F este nivelul Fermi care are urmatorul sens:

la T =0, .

Prin urmare, nivelul Fermi indica hotarul dintre nivelele complet ocupate si cele neocupate la T = 0. La un semiconductor nedegenerat nivelul Fermi se afla in zona interzisa Daca printr-un mod oarecare electronii din zona de valenta ajung in cea de conductie se obtine o inversare a populatiei si exista popsibilitatea emisiei stimulate.

In figura alaturata este reprezentata schema energetica a unui semiconductor la care se gasesc electroni in zona de conductie, deci populatii inversate. F_C si F_V, conform definitiei nivelului Fermi sunt nivelele Fermi in zona de conductie respectiv in cea de valenta. Electroni in zona de conductie pot sta un timp foarte scurt, ele revin in zona de valenta unde se recombina cu golurile, tranzitia intre doua nivele oarecare E₂ si E₁ este insotita de emisia unui foton de energie, .

Analiza: ZINCUL - metabolismul zincului - rolul biochimic al zincului Proiect: Hidrogen, oxigen, sulf, carbon - elemente chimice

Fenomenul de elctroluminiscenta intr-o jonctiune p-n a fost observat pentru prima data de catre Heynes J.R. si Briggs H.B. Ei au studiat emisia luminiscenta a jonctiunii la trecerea unui curent intens in directia de conductie. Electronii se miscau in zona de conductie iar golurile in cea de valenta, la recombinare se emite radiatie. In cazul germaniului maximul de emisie s-a obtinut la lungimea de unda de 1 mm, in cazul siliciului 1,22 mm.

In 1958 Aigrain P. a aratat ca emisia de recombinare a electronoilor cu goluri la injectarea lor prin zona interzisa poate fi folosita pentru inversare de populatii. Folosirea acestei emisii pentru obtinerea diodei laser a fost studiats in lucrarile lui: Dumke, Basov si Krohlin si altii. Lucrarile acestori autori au condus repede la realizarea jonctiunii in (GaAs), cu un randament inalt, care a servit ca baza obtinerii primului laser cu semiconductor. Era necesara obtinerea unui rezonator corespunzator. Emisia stimulata in (GaAs) a obtinut independent unul de altul grupurile conduse de Hall R.N. ; Nathan M.I. ; Quist T.M.

Pentru generare de radiatie laser trebuie ca: numarul de fotoni emisi stimulat > numarul de atomi absorbiti, adica,

, de unde rezulta , adica,

, de unde conditia de emisie stimulata devine,

F_C - F_V > E₂- E₁.

La un semiconductori de tip p respectiv n puternic dopati cu acceptor respectiv donori ( 10¹⁸ acceptor sau donor la 1 cm³ ) nivelul Fermi la tip p cade in zona de valenta a semiconductorului de tip n. Daca jonctiunii nu se aplica o tensiune, F_P si F_n sunt pe aceasi orizontala (figura alaturata a). Daca la jonctiune p-n se aplica o tensiune directa V, atunci intre cele doua nivele apare o deplasare, si ca urmare in stratul de baraj apare o inversare de populatie, respectiv emisia stimulata deoarece conditia este indeplinita, saltul de nivel Fermi este DF~ E_g, unde E_g este largimea zonei interzise (fig.b),

Dioda lui Hall avea o forma aproximativ cubica cu latura 0,4 mm, lucrand la temperatura azotului lichid, alimentata cu un curent in impulsuri de durata microsecundei, densitate de curent 20.000 A/cm², lungimea de unda a radiatiei laser emise 842 nm. Sub pragul de excitare, largimea liniei de emisie este de 125 Angstrom, la emisia stimulata aceasta se reduce la . Domeniul efectiv de emisie in laserul cu semiconductor a fost mic aproximativ 100x100 mm² la o grosime de cativa mm, acest domeniu corespunde cu domeniul de jonctiune p-n. Divergenta fasciculului 15⁰, gradul de monocromacitate mult mai slaba fata de alte tipuri de laseri obtinuti pana la acea data ( solide sau cu gaz ).

Dupa Hall, repede au fost obtinute si alte tipuri de laseri cu semiconductori care emit in domeniul vizibil.

In figura alaturata este prezentata o dioda laser monojonctiune

tinand seama de dimensiunea stratului de baraj, de ordinul micronului, fenomenul de difratie face ca divergenta fasciculului emergent sa fie mare. Corectarea formei fasciculului de iesire se face cu un sistem special de lentile.

Pierderile in substanta de lucru sunt mari datorate mai multor fenomene, cea ce duce la un curent de prag mare Pentru a micsora densitatea de curent de prag la un laser cu semiconductor monojonctiune p-n, se poate imbunatati reflexia suprafetelor cavitatii, micsorand astfel pierderile prin reflexie. Insa prin aceasta va avea loc o puternica absortie a undei fundamentale cea ce duce la o densitate de curent de prag mare. O exploatare indulengata la temperatura camerei se poate face numai prin micsorarea curentului de prag pana la 10³A/cm². Un asemenea prag mic si o functionare indelungata se poate realiza cu dubla heterojonctiune. In figura alaturata este prezentata o heterojonctiune, unde variind concentratia x de la 0 la 0,4 , poate fi variata lungimea de unda a radiatiei emise intre 0,84 - 0,64 mm. Un asemenea laser la temperatura camerei are un randament de ~ 30 %.

Cavitatea rezonanta de regula este de tip oglinzi plan- paralele formata chiar de cele doua fete lustruite ale semiconductorului. In principiu nu este nevoie de depunerei pe aceste suprafete deoarece indicele de refractie la GaAs de exemplu este aproximativ 4 cea ce duce la un coeficient de reflexie de 36%.