Uniones en semiconductores

Física del estado sólido
Uniones en semiconductores
Optoelectrónica: emisores de luz
Existen muchos dispositivos que emiten luz y que se utilizan especialmente en la generación de información, pero el interés en este curso es enfocarse en los dispositivos basados en semiconductores que, además de ser compatibles con la optoelectrónica integrada, mantienen la promesa para futuras aplicaciones
en el procesamiento óptico. En el proceso de emisión de luz ocurren dos procesos en los diodos de unión
p-n: el primero es el de inyección de portadores de carga y el segundo es el de recombinación de esos portadores. Como resultado de estos procesos se obtiene un haz monocromático de radiación cuya longitud
de onda depende del ancho de la banda prohibida (gap) del semiconductor empleado.
El proceso de recombinación de un electrón en la banda de conducción con un hueco en la banda de valencia se puede dar en uno o dos pasos. En los semiconductores de banda directa (figura 1a del tema “absorción óptica”), esta recombinación conduce a la emisión de un fotón con frecuencia v = Eg / h. Este proceso
es típico, por ejemplo, en el GaAs. En semiconductores de banda indirecta (figura 1b del tema “absorción
óptica”), primero el electrón salta de la banda de conducción a un nivel intermedio en la región de la banda
prohibida (producido por la existencia de una impureza) y desde allí salta hasta la banda de valencia, donde
se recombina con el hueco. En este proceso la eficiencia de emisión de luz es bastante pobre, situación típica
en el silicio; casi toda la energía producida se disipa en la red de átomos en forma de calor.
El silicio, material que domina otras áreas de la electrónica, está incapacitado cuando se utiliza como
emisor de luz. Por ello es importante tener en el proceso de emisión de luz dispositivos de gap directo. En
la figura 2 del tema de heteroestructuras se muestran las bandas de separación de diversos semiconductores
compuestos junto con sus constantes de red. Como se ve, existe una amplia gama de combinaciones para
el diseño de dispositivos.
Para la elección de los dispositivos semiconductores emisores de luz, como los leds o los diodos láser,
se deben tener ciertas consideraciones. Entre ellas están las siguientes:
Atenuación de la fibra (dB/km–1)
a. Energía de emisión. En el caso de las comunicaciones se deben escoger ciertas aleaciones que permitan longitudes de onda que tengan pérdida mínima. En la figura 1 se ilustran las características de
pérdidas de una fibra óptica. En ella se muestra que la pérdida mínima se da para longitudes de onda
entre 1.55 y 1.3 μm: por lo tanto, si se desea escoger fuentes de comunicación óptica, se deben elegir
materiales que puedan emitir a estas longitudes de onda.
100
50
20
10
5
2
1
0.5
0.2
0.1
0.05
Picos de absorción
– OH
Extremo de absorción
infrarroja de transiciones de red
Pérdida de 1.55 µm ~ 0.2 dB/km
Pérdida de 1.3 µm ~ 0.5 dB/km
Dispersión de Rayleigh
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Longitudes de onda (micrones)
Figura 1. Atenuación óptica vs. longitud de onda.
b. Disponibilidad de sustratos. La fabricación de fuentes de luz optoelectrónicas depende de las técnicas de crecimiento (ver MBE en tema de “heteroestructuras”). Los sustratos más importantes disponibles para la emisión de luz son el GaAs y el InP (ver figura 2 del tema de “heteroestructuras”).
Unos cuantos semiconductores y sus aleaciones pueden coincidir con estos sustratos. Los materiales
importantes que se explotan en optoelectrónica son las aleaciones de GaxAlx‒1As, que coinciden en
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red muy bien con los sustratos de GaAs; el In0.53Ga0.47As y el In0.52Al0.48As, que tienen coincidencia
con la red del InP y otros materiales incluso cuaternarios. Existe también interés en materiales con
banda de separación, como el ZnSe y ZnS, para producir dispositivos que emiten luz verde. Como
nota especial, algunas de estas aleaciones caen dentro de la región de gap indirecto cuando sus composiciones no son las apropiadas. Para que las emisiones de luz sean eficientes es necesario trabajar
en la región de banda de separación directa.
En el tema de fenómenos de transporte la conservación del momentum ocasiona fuertes transiciones radiativas solamente en semiconductores con banda de separación directa, pero algunos materiales con banda de
separación indirecta pueden, no obstante, tener una razonable eficiencia radiativa si están adulterados con
ciertas impurezas. Estas impurezas crean niveles de energía adicionales en la banda de separación y permiten la absorción del fotón al mover electrones en estos niveles. Las tasas de absorción y emisión son, sin
embargo, más pequeñas que las correspondientes a los semiconductores con bandas de separación directa.
Por ejemplo, se tiene el sistema de aleaciones de GaAsP, que es un sistema de semiconductores en el que los
niveles de impurezas han sido ampliamente utilizados para producir leds. No obstante, ya que la eficiencia
de emisión de luz es pobre, no ha sido posible usar estos niveles de impurezas para producir diodos láser.
En general, cuando se da el proceso de recombinación e-h existe un tiempo de recombinación para los
procesos radiativos y no radiativos dados por τr y τnr . El tiempo total para este proceso de recombinación
está dado por la ecuación (a):
1
1
1.
xn = xnr + xr
(a)
La eficiencia cuántica interna para procesos está dada por la ecuación (b):
hQr =
1
xr
1 . 1
1 = 1 + xr
xnr
xr + xnr
(b)
La eficiencia cuántica interna para semiconductores de gap directo de alta calidad está en el orden de la
unidad, mientras que para los de gap indirecto está en el orden de 10‒2 a 10‒3.
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