Sobre la selección del semiconductor, la estructura emisora, las características eléctricas y el circuito del transmisor para sistemas con fibras ópticas.
1- ELECCIÓN DEL SEMICONDUCTOR
Un semiconductor tiene un diagrama de energía compuesto de 3 bandas. La zona más cercana al núcleo se denomina Banda de Valencia BV y ocupa a los electrones ligados al núcleo; los electrones libres se encuentran en la Banda de Conducción BC. Entre ambas se determina una Banda Prohibida BP donde no se encontrarán electrones. La energía del electrón crece con la separación del núcleo. Un átomo metálico no posee la BP; por encima de un nivel de energía el electrón está libre del átomo. En los semiconductores dopados existen átomos donores, que dan origen al material tipo N y átomos aceptores que dan origen al tipo P. Los distintos niveles descritos se muestran en la Fig 01. Cuando un electrón pasa de la BC a la BV se produce una pérdida de energía la que se libera de distintas formas. Veamos los posibles tipos de transiciones (recombinación electrón-laguna).
TRANSICIONES ENTRE NIVELES DE ENERGÍA
1-Transición banda-banda: El electrón de la BC se recombina con una laguna (hueco o vacante electrónica) de la BV. Como resultado del salto la energía se emite en forma de un fotón (partícula asociada a la energía electromagnética). La longitud de onda del fotón se expresa mediante la ecuación de Planck-1905: E = h.c/λ. Donde E es el salto de energía; h la constante de Planck; c la velocidad de la luz en el vacío y λ la longitud de onda del fotón de luz.
2-Transición entre niveles: El caso anterior ocurre en un semiconductor intrínseco; cuando se disponen de dopantes (aceptores o donores) aparecen niveles intermedios de energía. Se tienen combinaciones de electrones del semiconductor con lagunas de aceptor o electrones del donor y lagunas de aceptor. La longitud de onda será levemente diferente debido a que el salto de energía también lo es.
3-Transición metálica: Las impurezas metálicas aportan niveles intermedios que permiten recombinaciones entre electrones del semiconductor con lagunas de metal o electrones del metal con lagunas del semiconductor. En este caso la longitud de onda difiere ampliamente de las anteriores.
4-Transición mediante fonones: El salto de energía se transforma en un fonón que es la partícula asociada a la energía térmica. Se dice que se libera calor en lugar de luz.
5-Efecto Auger: La energía se transfiere desde un electrón a otro electrón de la BC el cual adquiere mayor energía y luego la libera mediante un fonón. No existe radiación tornándose importante cuando la densidad de electrones es grande.
6-Emisión estimulada: Cuando la densidad de fotones es elevada puede ocurrir que un fotón actúe como catalizador para otra transición, obteniéndose dos fotones de igual energía y en fase (emisión coherente).
7-Absorción: El fotón es absorbido por un electrón de la BV y pasa a la BC creándose un par electrón-laguna.
Por un lado el caso 3 no es deseado pues se emiten fotones fuera de la banda de longitudes de onda esperada, para disminuir este efecto debemos aumentar la pureza durante la producción del semiconductor. El caso 2 debe ser tolerado debido a que los dopantes son colocados deliberadamente. El caso 6 es deseado para la construcción de emisor Láser y el 7 para los detectores de luz. El cómo se hace para evitar la emisión de calor (caso 4) da la clave para la selección del semiconductor.
SELECCIÓN DEL SEMICONDUCTOR
En el diagrama de bandas de algunos semiconductores en función del momento K. Cada átomo posee una estructura de bandas definida con un momento K determinado en cada instante (puede interpretarse como que cada átomo tiene una "temperatura" individual y el promedio es la temperatura del material). La transición más probable es aquella que involucra un mínimo salto de energía. En el Ge y Si el salto de menor energía ocurre para valores de K distintos; no se conserva el momento cinético K. En el AsGa (Arseniuro de Galio) ocurre para el mismo valor de K; se conserva el momento cinético K. Los del primer tipo se denominan materiales indirectos y los del segundo tipo se llaman materiales directos.
En los indirectos existe un salto de energía y otro salto de momento cinético, es decir:
-Relación de Planck E = h.c/λ
-Relación DeBroglie K = p/h
donde p es la cantidad de movimiento transferida. La variación de K se traduce en una radiación térmica (fonón).
La probabilidad de transición radiactiva es 107 veces mayor en los materiales directos que en los indirectos. Para lograr materiales directos debemos analizar la tabla periódica de semiconductores. Las posibles aleaciones son del tipo a) IV; b) III-V y c) II-VI, ya que ofrecen estabilidad química. El caso a) y c) presentan materiales indirectos de baja eficiencia o que emiten fuera de las longitudes de onda deseada (0,85 a 1,55 µm). Dentro del caso b) se tienen aleaciones ternarias y cuaternarias que resultan de unir 3 y 4 elementos y pueden resultar materiales directos.
En el diagrama de bandas del Al Ga As; donde se parte del AsGa y se reemplazan x átomos de Gax 1-x por igual cantidad de átomos de Al obteniendo el Arseniuro de Galio y Aluminio. Se observa que el AsGa es directo y el AsAl es indirecto; se mantiene como semiconductor directo hasta x= 0,37. Variando x se modifica la estructura de bandas, se incrementa la energía de transición y se disminuye la longitud de onda de emisión. Mientras en la primer ventana (0,85 µm) se trabaja con derivados de AsGa, en la segunda y tercera (1,3 y 1,5 µm) se usan derivados de InP (fosfuro de Indio).
Son 4 las características que deben tenerse en cuenta para la selección del semiconductor:
-La energía de transición (longitud de onda).
-El índice de refracción.
-El parámetro de reticulado (lattice constant) de la red.
-La orientación cristalográfica del material del sustrato.
La energía de transición debe ser ajustable para las distintas capas de la estructura emisora; lo mismo debe ocurrir con el índice de refracción. La orientación cristalográfica es (100) y permite el mejor corte de la oblea. La constante de reticulado debe ser la misma en toda la estructura. Variaciones pequeñas producen dislocaciones perjudiciales en la red cristalográfica causando un aumento de la recombinación no radiactiva.
La aleación ternaria tiene un grado de libertad lo que permite elegir el parámetro de la red o la energía de transición. La aleación cuaternaria tiene dos grados de libertad y se representa como área entre curvas. Puede pensarse en una aleación de 5 elementos, con 3 grados de libertad (adicionando el índice de refracción, por ejemplo). Para el caso del AlGaAs los átomos de Al y Ga tienen casi la misma dimensión por lo cual no modifica el parámetro de la red (5,66 Å). No ocurre lo mismo para Ga In As P (aleación cuaternaria). x 1-x y 1-y
Los átomos de Ga y As son marcadamente distintos a los de In y P, por ello para mantener la red cristalina sin dislocaciones el parámetro de la red debe estar fijo en 5,87 Å. Se agregan pues 2,1 átomos de As por cada uno de Ga; en otras palabras, mientras y= 2,1.x el valor de x está entre 0 y 0,5. Se tiene para este parámetro de red un rango de variación entre 0,73 y 1,34 eV, es decir 1,1 a 1,67 µm de longitud de onda.
Los primeros Láser de nitruro de Galio (GaN) datan de 1993 denominados láser azules pues trabajan a 400 nm. La principal aplicación se estima en lectores de CD-ROM y vídeo-discos. Permiten almacenar 4 veces más información debido a la reducido de la longitud de onda. También se espera usar el material en amplificadores de telefonía celular satelital ya que permiten una mayor potencia que el AsGa (1 watt/mm) para frecuencias de 10 GHz.
ELECCIÓN DE LA ESTRUCTURA EMISORA
Hasta aquí se ha seleccionado el semiconductor para la emisión en longitudes de onda corta (AsGa) y largas (InP). Para incrementar la emisión espontánea y llegar a la emisión estimulada se debe tener abundancia de electrones en la BC y de lagunas en la BV.
1-Diagrama de bandas del semiconductor. Se indican los niveles correspondientes a la separación entre Bandas de Conducción, Prohibida y de Valencia. El nivel de Fermi Fo es el nivel medio de probabilidad de ocupación de los electrones. En equilibrio térmico la probabilidad de ocupación de algún estado de energía E está descrito por la distribución de densidad de probabilidad de Fermi-Dirac, cuya expresión es:
f = (1 + exp(e-Fo/K.T))-1
donde k es la constante de Boltzman y T la temperatura en grados Kelvin. Si E=Fo el valor de f es 0,5 es decir el nivel medio de probabilidad de ocupación.
2-Diagrama de probabilidad de Fermi-Dirac. Se indica el nivel de energía de Fermi Fo cuando f=0,5.
3-Concentración de electrones. Debido a la distribución del punto anterior la mayoría de los electrones están en la BV, sin embargo a temperatura ambiente existen electrones en la BC y lagunas en la BV debido a la agitación térmica. No existen electrones en la BP. En 0 °K no tenemos electrones en la BC estando todos ellos ligados al núcleo en la BV.
4-Diagrama de bandas en semiconductores dopados tipo P y N. Con el propósito de tener abundancia de electrones en la BC y de lagunas en la BV se recurre a los semiconductores dopados tipos P y N. En el N existen átomos donores (con exceso de electrones) que corren el nivel de Fermi hacia la BC creando un nivel Fc. En el tipo P se colocan átomos aceptores (con exceso de lagunas) que corren al nivel Fo hacia la BV creando el nivel Fv.
5-Diagrama de probabilidades de Fermi-Dirac. Cada cuasinivel de Fermi indica el exceso de electrones o lagunas.
6-Concentración de electrones a 0°K. En un material tipo N existen electrones en exceso en la BC y en el tipo P exceso de lagunas en la BV, combinando ambos materiales, es decir formando una juntura PN, se logran simultáneamente ambas condiciones. Una distribución de portadores por el estilo se denomina población invertida; la misma ocurre cuando Fc-Fv es mayor que BC-BV.
7-Concentración a temperatura ambiente. Se caracteriza por una distribución estadística de los electrones en lugar de ser predecible como en el caso anterior.
Para incentivar la emisión de luz se debe lograr que existan portadores en exceso para aumentar las transiciones radiactivas. Para ello se forma una juntura PN. En la Fig 02 se sigue el orden de análisis: En el diagrama de niveles para la juntura PN se observa que en la juntura se alinean los niveles de Fermi Fc y Fv. Mientras en los semiconductores aislados se alinean los niveles de BC y BV, cuando están en contacto formando una juntura se alinean los niveles Fc y Fv. En esta condición, en la juntura hay exceso de lagunas y electrones aportados por los semiconductores tipo P y N respectivamente.
En el diagrama de niveles con la juntura en polarización directa se modifican los valores de energía para que los electrones tengan mayor energía que las lagunas. En la juntura conviven los dos cuasi-niveles de Fermi Fv-Fc. La transición es radioactiva y la alimentación en directa de ella permite el aporte de lagunas y electrones desde la fuente a la juntura con lo que se mantiene la población de portadores y la emisión de luz. En principio una juntura simple como la mostrada es suficiente para la emisión continua de luz. La performance es mejorada substancialmente si se crea una juntura múltiple de varias capas (heteroestructura). La emisión en una estructura simple es casi esférica reduciéndose la luz acoplada a la fibra óptica. Para obtener una emisión concentrada en una dirección se recurre a la heteroestructura.
En 1968 se tenía desarrollada una estructura bastante eficiente en la primer ventana y ya en 1972 estaba desarrollada la estructura múltiple actual. En el ejemplo de la Fig 02 tienen 5 capas siendo la central la zona de juntura donde se produce la emisión de luz. Las capas aledañas actúan para el confinamiento de la emisión. La capa inferior es el sustrato donde se crecen las otras capas; desde el sustrato hasta la capa superior el tipo de material se modifica. Así para 0,85 µm se tienen AsGa, GaAl, As, AsGa, GaAlAs, AsGa; en cambio, para longitudes de onda largas 1,3 µm tenemos: InGaAs, InP, InGaAsP, InP, InP.
El confinamiento de la emisión en la juntura se logra con la heteroestructura y se recurre a dos estrategias (Fig 02):
-Por un lado, se hace incrementar el índice de refracción hacia la juntura para producir reflexión total como en el núcleo de
las fibras ópticas; por otro lado, la separación entre BC y BV se reduce al valor adecuado a la longitud de onda deseada en la
zona de juntura y se incrementa en las zonas aledañas.
-Por otro lado, la segunda estrategia se permite que los portadores emitan sólo en la zona de juntura, se impide de tal manera
la absorción de luz fuera de dicha zona de juntura.
Si el confinamiento es eficiente se permite lograr la densidad de fotones necesaria para la emisión estimulada, lo cual da lugar a la emisión monocromática coherente efecto Láser. Un Diodo Emisor de Luz LED tiene una estructura tal que no logra el umbral de concentración necesario para la emisión estimulada por lo que la eficiencia cuántica externa puede ser muy baja. Se define eficiencia cuántica externa a la relación entre la potencia óptica de salida y la potencia eléctrica de entrada. Esto se debe a que el índice de refracción del semiconductor es elevado (3,4 para el InP y 3,6 para el AsGa) y el ángulo crítico (Apertura Numérica) para la extracción de la emisión es pequeño. Cuando se incrementa el número de 18 -3 portadores inyectados (10 cm ) comienza la emisión Láser.
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