Dispositivos electrónicos y circuitos > > Diodos semiconductores > > Diodo láser
Los diodos láser desempeñan un papel importante en nuestra vida cotidiana. Son muy baratos y pequeños. Los diodos láser son los láseres más pequeños de todos los conocidos. Su tamaño es de una fracción de milímetro.
Los diodos láser también se conocen como láseres de semiconductores, láseres de unión, láseres de diodo de unión o láseres de inyección. Antes de entrar en diodos láser, veamos primero el diodo en sí.
¿Qué es un diodo de unión p-n?
Un diodo de unión p-n es un dispositivo semiconductor que permite el flujo de corriente en una sola dirección.
El diodo de unión p-n está hecho de dos tipos de materiales semiconductores, a saber, semiconductores de tipo p y de tipo n. El semiconductor de tipo p se une con el semiconductor de tipo n para formar una unión p-n. El dispositivo que resulta de la unión de un semiconductor de tipo p y de tipo n se denomina diodo de unión p-n.
El diodo de unión p-n permite la corriente eléctrica en condiciones de polarización hacia adelante, mientras que bloquea la corriente eléctrica en condiciones de polarización inversa.
Si el terminal positivo de la batería está conectado al semiconductor de tipo p y el terminal negativo de la batería está conectado al semiconductor de tipo n, se dice que el diodo está sesgado hacia adelante.
Cuando se aplica un voltaje de polarización hacia adelante al diodo, los electrones libres comienzan a moverse desde el terminal negativo de la batería al terminal positivo de la batería de manera similar, los orificios comienzan a moverse desde el terminal positivo de la batería al terminal negativo de la batería.
Debido a estos flujos de portadores de carga (electrones libres y agujeros), se genera corriente eléctrica en el diodo de unión p-n.
En los diodos de unión p-n ordinarios, los electrones que se mueven de tipo n a tipo p se recombinarán con los agujeros en el semiconductor o unión de tipo p. De manera similar, los agujeros que se mueven de tipo p a tipo n se recombinarán con los electrones en el semiconductor o unión de tipo n.
Sabemos que el nivel de energía de los electrones libres en la banda de conducción es alto en comparación con los agujeros en la banda de valencia. Por lo tanto, los electrones libres liberarán su energía extra (energía no radiativa) mientras se recombinan con los agujeros.
En los diodos emisores de luz (LED) o diodos láser, la recombinación se lleva a cabo de manera similar. Sin embargo, los electrones libres en los LED o diodos láser liberan energía en forma de luz mientras se recombinan con los agujeros.
¿Qué es un diodo láser?
Un diodo láser es un dispositivo optoelectrónico, que convierte la energía eléctrica en energía de luz para producir luz coherente de alta intensidad. En un diodo láser, la unión p-n del diodo semiconductor actúa como medio láser o medio activo.
El funcionamiento del diodo láser es casi similar al diodo emisor de luz (LED). La principal diferencia entre el LED y el diodo láser es que el LED emite luz incoherente, mientras que el diodo láser emite luz coherente.
Construcción de diodo láser
El diodo láser está hecho de dos capas de arseniuro de galio dopado. Una capa dopada de arseniuro de galio producirá un semiconductor de tipo n, mientras que otra capa dopada de arseniuro de galio producirá un semiconductor de tipo p. En los diodos láser, el selenio, el aluminio y el silicio se utilizan como agentes dopantes.
Unión P-N
Cuando una capa de tipo p se une a la capa de tipo n, se forma una unión p-n. El punto en el que se unen las capas de tipo p y tipo n se denomina unión p-n. La unión p-n separa los semiconductores de tipo p y tipo n.
Para la construcción de diodos láser, el arseniuro de galio se elige sobre el silicio. En los diodos de silicio, la energía se libera durante la recombinación. Sin embargo, esta liberación de energía no es en forma de luz.
En los diodos de arseniuro de galio, la liberación de energía es en forma de luz o fotones. Por lo tanto, el arseniuro de galio se utiliza para la construcción de diodos láser.
Semiconductor de tipo N
La adición de un pequeño porcentaje de átomos extraños en el semiconductor intrínseco produce un semiconductor de tipo n o p.
Si se añaden impurezas pentavalentes al semiconductor intrínseco o puro, se produce un semiconductor de tipo n. En los semiconductores de tipo n, los electrones libres son los portadores de carga mayoritarios, mientras que los agujeros son los portadores de carga minoritarios. Por lo tanto, los electrones libres transportan la mayor parte de la corriente eléctrica en semiconductores de tipo n.
Semiconductor de tipo P
Si se añaden impurezas trivalentes al semiconductor puro, se produce un semiconductor de tipo p. En los semiconductores de tipo p, los agujeros son los portadores de carga mayoritarios, mientras que los electrones libres son los portadores de carga minoritarios. Por lo tanto, los orificios transportan la mayor parte de la corriente eléctrica en semiconductores de tipo p.
Pasos principales necesarios para producir un haz de luz coherente en diodos láser
Los pasos principales necesarios para producir un haz de luz coherente en diodos láser son: absorción de luz, emisión espontánea y emisión estimulada.
Absorción de energía
La absorción de energía es el proceso de absorción de energía de las fuentes de energía externas.
En diodos láser, la energía eléctrica o el voltaje de CC se utilizan como fuente de energía externa. Cuando el voltaje de CC o la energía eléctrica suministra suficiente energía a los electrones de valencia o a los electrones de la banda de valencia, rompen el enlace con el átomo padre y saltan al nivel de energía más alto (banda de conducción). Los electrones en la banda de conducción se conocen como electrones libres.
Cuando el electrón de valencia sale de la envoltura de valencia, se crea un espacio vacío en el punto desde el que el electrón salió. Este espacio vacío en la cáscara de valencia se llama agujero.
Por lo tanto, tanto los electrones libres como los agujeros se generan como un par debido a la absorción de energía de la fuente de CC externa.
Emisión espontánea
La emisión espontánea es el proceso de emitir luz o fotones de forma natural mientras los electrones caen al estado de energía inferior.
En diodos láser, los electrones de la banda de valencia o electrones de valencia se encuentran en el estado de energía inferior. Por lo tanto, los agujeros generados después de los electrones de valencia que quedan también están en el estado de energía inferior.
Por otro lado, los electrones de la banda de conducción o electrones libres están en el estado de energía superior. En palabras simples, los electrones libres tienen más energía que los agujeros.
Los electrones libres en la banda de conducción necesitan perder su energía extra para recombinarse con los agujeros en la banda de valencia.
Los electrones libres en la banda de conducción no permanecerán durante mucho tiempo. Después de un corto período, los electrones libres se recombinan con los agujeros de energía inferior liberando energía en forma de fotones.
Emisión estimulada
La emisión estimulada es el proceso por el cual se estimula a los electrones excitados o a los electrones libres para que caigan en un estado de energía inferior liberando energía en forma de luz. La emisión estimulada es un proceso artificial.
Emisión estimulada, los electrones excitados o los electrones libres no necesitan esperar la finalización de su vida útil. Antes de completar su vida útil, los fotones incidentes o externos forzarán a los electrones libres a recombinarse con los agujeros. En la emisión estimulada, cada fotón incidente generará dos fotones.
Todos los fotones generados por la emisión estimulada viajarán en la misma dirección. Como resultado, se produce un haz estrecho de luz láser de alta intensidad.
¿Cómo funciona el diodo láser?
Cuando se aplica voltaje de CC a través del diodo láser, los electrones libres se mueven a través de la región de unión desde el material de tipo n hasta el material de tipo p. En este proceso, algunos electrones interactuarán directamente con los electrones de valencia y los excitarán a un nivel de energía más alto, mientras que otros electrones se recombinarán con los agujeros en el semiconductor de tipo p y liberarán energía en forma de luz. Este proceso de emisión se denomina emisión espontánea.
Los fotones generados debido a la emisión espontánea viajarán a través de la región de unión y estimularán los electrones excitados (electrones libres). Como resultado, se liberan más fotones. Este proceso de emisión de luz o fotones se denomina emisión estimulada. La luz generada por la emisión estimulada se moverá paralela a la unión.
Los dos extremos de la estructura de diodo láser son ópticamente reflectantes. Un extremo es totalmente reflectante, mientras que otro extremo es parcialmente reflectante. El extremo totalmente reflectante reflejará la luz por completo, mientras que el extremo parcialmente reflectante reflejará la mayor parte de la luz, pero permite una pequeña cantidad de luz.
La luz generada en la unión p-n rebotará hacia adelante y hacia atrás (cientos de veces) entre las dos superficies reflectantes. Como resultado, se logra una enorme ganancia óptica.
La luz generada debido a la emisión estimulada se escapa a través del extremo parcialmente reflectante del diodo láser para producir una luz láser de haz estrecho.
Todos los fotones generados por la emisión estimulada viajarán en la misma dirección. Por lo tanto, esta luz viajará a largas distancias sin extenderse en el espacio.
Ventajas de los diodos láser
- Construcción simple
- Ligero
- Muy barato
- Tamaño pequeño
- Altamente confiable en comparación con otros tipos de láseres.
- Vida útil más larga
- No se requieren espejos de alta eficiencia
- en los láseres de semiconductores.
- Bajo consumo de energía
Desventajas de los diodos láser
- No adecuados para las aplicaciones en las que se requieren altas potencias.
- Los láseres semiconductores dependen en gran medida de la temperatura.
Las aplicaciones de diodos láser
- Los diodos láser se utilizan en punteros láser.
- Los diodos láser se utilizan en comunicaciones de fibra óptica.
- Los diodos láser se utilizan en lectores de códigos de barras.
- Los diodos láser se utilizan en la impresión láser.
- Los diodos láser se utilizan en el escaneo láser.
- Los diodos láser se utilizan en buscadores de rangos.
- Los diodos láser se utilizan en espectrometría de absorción láser.
Tipos de diodos
Los diversos tipos de diodos son los siguientes:
- Zener diode
- Avalanche diode
- Photodiode
- Light Emitting Diode
- Laser diode
- Tunnel diode
- Schottky diode
- Varactor diode
- P-N junction diode