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80 I QUADERNI DI TELÈMA Aree di ricerca emergenti per le applicazioni optoelettroniche dei semiconduttori organici. I laser a semiconduttore Tra le sorgenti di luce, i laser (Light Amplification by means of Stimulated Emission Radiation) costituiscono la famiglia più affascinante e la maggiormente sfruttabile per moderne applicazioni commerciali. Oggi i laser si usano nel campo delle trasmissioni di informazione, nella medicina, sia in diagnostica che in cura così come per estetica, nell’industria pesante, per esempio per il taglio o la fusione di lastre metalliche, nel mondo dell’arte, sia per scopi di conservazione sia nell’uso diretto nelle opere artistiche, nel monitoraggio dell’atmosfera, o nell’elettronica di svago, si pensi ai lettori CD e DVD, così some in innumerevoli applicazioni nel mondo della ricerca scientifica. I laser possono venir prodotti a partire da materiali gassosi, a stato solido o a semiconduttore. Il laser a semiconduttore presenta alcune caratteristiche che lo rendono molto più facilmente utilizzabile in pratica rispetto ad altri tipi: esso è molto piccolo nelle dimensioni, dell’ordine di 1 mm il laser vero e proprio, due-tre centimetri il laser impacchettato nella protezione termo-meccanica che ne permette anche il controllo elettrico esterno, contro le decine di centimetri o i metri di altri tipi di laser; ha bisogno di correnti molto basse, decine o centinaia di mA, 100-1000 volte meno che altri tipi di laser. Di contro ha una potenza di Il grande interesse presente verso tale nuova tecnologia è testimoniato dal coinvolgimento a vario titolo nel mercato, o meglio nello sviluppo, di grandi aziende multinazionali come: Kodak, Dupont Displays (Uniax), LG Electronics, Osram, Philips, Samsung, SDI, Sanyo, Seiko, Epson Corporation, Sony, TDK, STMicroelectronics, Toshiba, Tohoku, Pioneer. In particolare la Pioneer commercializza già dal 2001 un’autoradio con display realizzato con molecole organiche elettroluminescenti. La Kodak nel corso del 2003 ha invece commercializzato la prima fotocamera con display a LED organici. Andrea Reale Marco Berliocchi Aldo Di Carlo Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Università di Roma Tor Vergata emissione bassa, e infatti a poche applicazioni in ambito industriale, e una bassa coerenza spaziale e temporale, ed infatti il suo fascio luminoso si allarga a breve distanza dall’uscita, tant’è vero che spesso, e non solo nelle applicazioni di telecomunicazione, viene accoppiato ad una fibra ottica che permette il trasporto a lunghe distanze della luce stessa senza perdere intensità. Un semiconduttore è un materiale isolante a basse temperature e che ha una debole conducibilità a temperatura ambiente. Esso è caratterizzato dall’esistenza di una banda proibita di energia, che separa la banda di valenza da quella di conduzione, la cui ampiezza è la principale caratteristica del semiconduttore stesso. Se ad un elettrone viene fornita l’energia necessaria a saltare dal suo stato fondamentale, nella banda di valenza, a quello eccitato posto oltre la banda proibita nella banda di conduzione, l’elettrone stesso dopo circa un nanosecondo ricadrà allo stato fondamentale, ricombinandosi con una lacuna (si veda più avanti nel testo) emettendo un fotone di energia pari alla banda proibita. I semiconduttori hanno bande proibite di ampiezza variabile a seconda del materiale, e che corrispondono ad energie (colori) della luce che vanno dal vicino ultravioletto al medio infrarosso. Se nel Iquadernidi
semiconduttore vengono eccitate un gran numero di elettroni in banda di conduzione, si può raggiungere la condizione di inversione di popolazione, ovvero vi sono più elettroni in banda di conduzione che in banda di valenza. In queste condizioni avviene il meccanismo di emissione stimolata dell’emissione di luce, che è alla base di un amplificatore di luce: un elettrone che torna allo stato fondamentale emette un fotone che stimola un altro elettrone a fare lo stesso e così via in un meccanismo amplificatore. Per ottenere un laser, questo amplificatore va posto in una cavità risonante (semi)riflettente, che permette di selezionare una particolare lunghezza d’onda e avere le tipiche caratteristiche spaziali di un fascio laser. I semiconduttori possiedono la caratteristica di poter essere contaminati (drogati) con elementi che ne cambiano le caratteristiche elettriche. Questi droganti possono creare una conducibilità di tipo n, caratterizzata da una conducibilità di tipo elettronico, oppure da una conducibilità di tipo p, e cioè basata sulle lacune, delle pseudoparticelle che possono essere descritte come degli elettroni mancanti: un elettrone che viene eccitato nella banda di conduzione lascia in banda di valenza una lacuna, che ha carica positiva e che si muoverà, in presenza di campo elettrico, in direzione opposta a quella in cui si muovono gli elettroni. Per ricordare un celebre esempio, immaginate di avere un parcheggio in cui vi è un unico posto vuoto in prima fila e tutte gli altri posti sono occupati: se le macchine si spostano in avanti, una dopo l’altra, per occupare, la prima quel posto e le altre via via il posto vuoto generato dalla macchina che precede, il movimento in avanti delle automobili può essere visto come uno spostamento all’indietro del posto vuoto: la lacuna, appunto. Il processo di ricombinazione radiativa descritto sopra, viene generalmente visto come la ricombinazione di un elettrone eccitato in banda di conduzione con una lacuna creata in banda di valenza dall’assenza di un elettrone eccitato. Si parla quindi in generale di ricombinazione bipolare. Se vengono cresciuti due strati adiacenti dello stesso semiconduttore, ma uno con conducibilità di tipo n e l’altro con conducibilità di tipo p. si forma quella che viene chiamata giunzione p-n, che è alla base dei diodi e dei transistor, che, opportunamente polarizzata, permette un forte passaggio di cariche da un novembre 2003 le nuove tecnologie fotoniche lato all’altro della giunzione, corrente che provoca una forte eccitazione del semiconduttore e la conseguente emissione di una intensa luce. Le faccette di sfaldatura del semiconduttore creano poi la cavità ottica necessaria. Come abbiamo detto, i laser a semiconduttore coprono attualmente una regione dello spettro che va dal blu all’infrarosso, nella pratica commerciale sono oggi disponibili sul mercato laser che vanno da 400 a 1600 nm. Laser che emettono nel rosso, nel giallo e nel blu possono essere usati contemporaneamente in apparecchi televisivi di moderna concezione, che potranno essere una valida alternativa agli attuali apparecchi che funzionano con cristalli liquidi o con plasmi. Altre applicazioni dei laser a semiconduttore sono le trasmissioni ottiche dei moderni sistemi di telecomunicazione, l’elettronica di svago (CD e DVD), applicazioni mediche come la diagnostica non invasiva (ad esempio la misura della glicemia oppure la diagnosi precoce del tumore del seno), il monitoraggio di gas (ad esempio per il controllo di combustioni o per misure di inquinamento). Recentemente nei laboratori Bell della Lucent technology è stato sviluppato un nuovo tipo di laser a semiconduttore, detto a cascata quantica, che potrà essere utilizzato sia nel campo del monitoraggio dell’inquinamento atmosferico, così come in quello della diagnostica medica a microonde e nelle telecomunicazioni in aria. Il laser a cascata quantica si distingue dai laser descritti precedentemente in quanto non si tratta di un dispositivo bipolare, Schema di funzionamento di un laser: una corrente eccita gli elettroni dallo stato fondamentale a quello eccitato; dallo stato eccitato l’elettrone tende a decadere nello stato fondamentale emettendo un fotone: la luce, appunto.-Nel laser vengono eccitati un gran numero di elettroni, tanti da averne di più nello stato eccitato che in quello fondamentale. In queste condizioni, può avvenire la cosiddetta emissione stimolata: un fotone stimola cioè un altro elettrone a decadere verso lo stato fondamentale. 81
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