LÁSERES DE SEMICONDUCTORES
Los láseres de semiconductores son los láseres más eficientes, baratos y pequeños que es posible obtener en la actualidad. Desde su invención en 1962 se han mantenido como líderes en muchas aplicaciones científico-tecnológicas y su continua producción masiva nos da un inicio de que esta situación se prolongará por mucho tiempo.




Dispositivos Semiconductores



Hemos visto en el primer capítulo que podemos considerar a los átomos como pequeños sistemas solares con electrones girando en órbitas específicas alrededor de un núcleo con carga positiva. Los electrones localizados en la última órbita son llamados electrones de valencia y no son retenidos tan firmemente como los que se encuentran en las órbitas interiores. Cuando varios átomos se combinan para formar una molécula o una estructura cristalina los electrones de valencia son intercambiados libremente, ligando con esto a los átomos.
Elementos semiconductores típicos son el silicio y germanio. Un material semiconductor como el silicio en su forma cristalina tiene sus cuatro electrones de valencia entrelazadas con los átomos adyacentes.
La figura III.17 es una representación bidimensional de la estructura cristalina del silicio, en ella se muestran sus electrones de valencia y sus núcleos. A muy bajas temperaturas el silicio se comporta como un aislador, ya que no hay electrones libres que puedan conducir corriente eléctrica. Sin embargo, a temperatura ambiente, por la agitación térmica, algunos electrones serán separados de su posición dentro de la red cristalina, quedando libres y dejando en su lugar un "hueco" con carga positiva. Si a través del cristal se aplica un campo eléctrico circulará una pequeña corriente eléctrica debido al movimiento de electrones libres y de huecos.
                               

                                                   Figura III.17.

Todos los materiales existentes pueden clasificarse en las siguientes categorías: conductores, aislantes o semiconductores. Los primeros son materiales que conducen con facilidad una corriente eléctrica a través de ellos. Los segundos difícilmente conducen corrientes eléctricas y los últimos están en una situación intermedia.
Un buen conductor como la plata tiene una conductividad de 6 x 10⁷ mohs/ metro, mientras que un buen aislante como el cuarzo fundido tiene una conductividad de 2 x 10^-17 mohs/ metro. Es decir que hay 24 órdenes de magnitud de diferencia en su conductividad. Un semiconductor tiene una conductividad típica de 7 a 14 órdenes de magnitud menor que un buen conductor. Ejemplos de materiales semiconductores son el germanio (Ge), el silicio (Si) y algunos compuestos como el arsenuro de galio (GaAs) y el sulfuro de plomo (PbS).
Es posible aumentar en forma controlada la conductividad de un semiconductor. Para realizar esto, durante la formación del semiconductor puro se introduce una pequeña cantidad de átomos "contaminantes" con tres o con cinco electrones de valencia en lugar de sólo cuatro. La introducción de átomos contaminantes con tres electrones de valencia como por ejemplo el bario (Ba), el galio (Ga) o el indio (In), da lugar a una estructura cristalina imperfecta en la cual han quedado "huecos positivos" que aumentan la conductividad del material. Este tipo de materiales se conocen como semiconductores tipo P y su representación bidimensional se muestra en la figura III.18. De manera similar, la introducción de átomos contaminantes con cinco electrones de valencia, como por ejemplo el fósforo (P), el arsénico (As), el bismuto (B) o el antimonio (Sb), da origen a una estructura cristalina imperfecta en la cual han quedado electrones en exceso qué incrementan la conductividad del material. Estos materiales contaminados con átomos con cinco electrones de valencia son llamados semiconductores tipo N. Su representación bidimensional se muestra en la figura III.19.

                               
 

                                                     Figura III.18.

 



                       

                                                       Figura III.19.

Diodos y láseres semiconductores
Cuando un trozo de material semiconductor tipo P y uno tipo N se unen tenemos una "unión P-N que es también conocida como diodo.
Si en este diodo colocamos una batería, conectando el polo positivo con el material tipo N y el polo negativo con el material tipo P, el resultado es que los huecos son atraídos por el potencial negativo de la batería y el potencial positivo de la batería atrae a los electrones libres. En este caso no puede haber circulación de corriente eléctrica a través del diodo y décimos que está polarizado en sentido inverso como se muestra en la figura III.20. Por el contrario, si conectamos una batería con el polo positivo al material tipo P y el negativo al material tipo N, los huecos positivos son repelidos por el potencial positivo de la batería y dirigidos hacia la unión de los materiales P y N. Por otra parte, los electrones libres de la región N son repelidos por el potencial negativo de la batería y dirigidos también hacia la unión de los materiales P y N. En dicha unión los electrones y los huecos se recombinan y permiten así el paso de corriente.

                           

                                                     Figura III.20.

En este caso decimos que tenemos polarización en sentido directo, como se muestra en la figura III.21. Durante la recombinación de huecos y electrones pueden ser emitidos fotones que generalmente caen en la región infrarroja del espectro.
 

                                                     Figura III.21.

Diseñando una unión P-N de forma adecuada, podemos formar una cavidad láser, cuya región activa está formada por la región de unión de los materiales P y N. La realización práctica de un láser de semiconductor se muestra esquemáticamente en la figura III.22.
 

                                                          Figura III.22.

Ricardo Monroy C.I. 17646658

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