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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.
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