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- DIODI LED E DIODI LASER
In questo capitolo:
In una giunzione polarizzata direttamente vi è una forte ricombinazione elettrone-lacuna, in prossimità della giunzione stessa.
Fig. 5.1.1 - Quando una giunzione è polarizzata direttamente, le bande tornano in equilibrio e si avrà passagio di corrente. In prossimità della giunzione coesisteranno elettroni e lacune che potranno ricombinarsi, liberando la loro energia.
L'energia corrispondente all'ampiezza della "band-gap" Eg = Ec - Ev , in questa zona, viene restituita sotto varie forme, ma in molti casi, coma nei diodi costituiti da Arseniuro di Gallio (GaAs), essa genera fotoni che hanno una frequenza n , diversa a seconda dei materiali che costituiscono la giunzione, espressa da
| n = Eg/h |
Nel caso del GaAs la lunghezza d'onda della luce emessa l= c/n è 8849 Angstrom.
Questi diodi vengono indicati come "LED" (light emitting diode).
Se il contenitore di questi dispositivi è trasparente, vediamo che essi si "accendono" non appena superiamo la soglia necessaria a portarli in conduzione.
C'è ancora un'altra particolarità che li caratterizza. Se la giunzione viene polarizzata inversamente, coì come nei diodi normali, avremo una debolissima corrente dovuta alle cariche minoritarie. Fotoni provenienti dall'esterno, di adeguata frequenza, possono essere assorbiti, generando coppie elettrone-lacuna, aumentando la conducibilità inversa.
Diventano, così, dispositivi "fotosensibili", nei quali, cioè, l'intensità di corrente dipende dalla quantità di luce incidente sulla giunzione.
I fotoni, in particolare quelli emessi longitudinalmente alla giunzione, possono venire riassorbiti, generando una nuova coppia elettrone-lacune, oppure possono provocare un altro fenomeno, scoperto e studiato da Einstein: "l'emissione stimolata".
Fig. 5.2.1 - Sono illustrati i fenomeni dell'assorbimento, dell'emissione e dell'emissione stimolata. Quest'ultimo può dare origine ad effetto "laser".
Il fotone può sollecitare un elettrone a ricombinarsi con una lacuna emettendo un nuovo fotone; la particolarità è che questo fotone verrà emesso nella stessa direzione del fotone incidente e con la stessa frequenza e fase. Questi fotoni che viaggiano insieme possono, a loro volta, stimolare l'emissione di altri fotoni e così via, con una reazione a catena.
Il fenomeno descritto è facile che avvenga in un diodo polarizzato direttamente in cui si ha un elevato numero di coppie elettrone-lacuna coesistenti, in prossimità della giunzione, e quindi un elevato numero di fotoni emessi.
Chiudendo il semiconduttore tra due pareti riflettenti la luce, e tra loro parallele, riusciremo a creare una "cavità" all'interno della quale i fotoni incidenti perpendicolarmente alle pareti resteranno intrappolati aumentando di numero ad ogni passaggio, per effetto della "emissione stimolata". Rendendo semitrasparente una delle superfici della cavità, potremo prelevare una parte del fascio di fotoni intrappolati, generando il tipico fascio "LASER".
Fig. 5.2.2 - I fotoni emessi longitudinalmente alla giunzione vengono moltiplicati per emissione stimolata e danno origine ad un fascio laser, essendo in risonanza con la cavità.
Il fenomeno descritto, della cavità ottica, è lo stesso per tutti i tipi di laser, che prendono il loro nome dall'acrostico "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", Amplificazione di luce tramite emissione stimolata di radiazione.
Il fascio emesso è un tipico fascio di luce coerente; tutti i fotoni sono in fase tra loro e viaggiano nella direzione perpendicolare alle pareti. La "purezza" del raggio "laser", cioè il fatto che esso sia costituito da fotoni di una sola frequenza, dipende dalle caratteristiche della cavità. In essa potranno amplificarsi solo quei fotoni che hanno una lunghezza d'onda sottomultipla della lunghezza della cavità stessa, altrimenti darebbero luogo ad interferenza distruttiva, così come avviene per le particelle in una buca di potenziale, o all'interno di un Fabry-Perot.
La condizione perchè avvenga la creazione del raggio "laser" è che la probabilità dell'emissione stimolata sia maggiore della probabilità di assorbimento: questa situazione si realizza con l'inversione della popolazione dei livelli energetici interessati, attraverso vari procedimenti di "pompaggio".
Nei diodi laser l'inversione di popolazione è spontaneamente realizzata tenendo conto del fatto che la polarizzazione diretta provoca, in prossimità della giunzione, l'immissione di elettroni dal semiconduttore N e di lacune dal semiconduttore P. Sono necessarie, però, alte densità di carica e quindi di correnti, dell'ordine di centinaia di A /cm2 , per compensare le perdite.