Uniones en semiconductores

Física del estado sólido
Uniones en semiconductores
Optoelectrónica: introducción
La luz tiene muchas propiedades que la hacen atractiva sobre todo en el proceso de la información. Algunas
de estas propiedades son:
a. Naturaleza ondulatoria. Puesto que la luz sufre poca dispersión a lo largo de grandes distancias, lo
que no sucede con los electrones, esta ventaja se usa en dispositivos con propósitos determinados.
Los electrones muestran su carácter ondulatorio en electrónica cuando las longitudes del dispositivo
están por debajo de 500 Å.
b. Interacciones no lineales. Diversos materiales tienen una respuesta no lineal fuerte a la intensidad
óptica, propiedad que puede explotarse en algunos dispositivos.
c. Facilidad de acoplamiento con la electrónica. Ésta es quizás una de las propiedades más interesantes
de la óptica y ha dado buenos dividendos hasta ahora. Las interacciones entre la óptica y la electrónica se han podido mezclar fácilmente en dispositivos semiconductores, lo cual ha conducido a
los llamados dispositivos optoelectrónicos más importantes, por ejemplo el láser, el modulador y el
detector.
Sin extenderse en mayores explicaciones, es obvio que la óptica tiene un gran potencial en la era de la información, aunque hasta ahora no se ha encontrado completamente su potencial. En algunas áreas la óptica
tiene un papel pasivo y sólo sirve como portador de la información, dejando todo el proceso activo a la
electrónica.
En este tema se discuten los principios básicos de algunos dispositivos optoelectrónicos importantes. En
los semiconductores, la interacción entre la luz (fotones) y el semiconductor está mediada por electrones.
Cuando luz con una energía apropiada incide sobre un semiconductor se generan pares electrón hueco,
proceso conocido como de absorción, el cual es representado esquemáticamente en la figura 1. Estos electrones y huecos se utilizan para generar corrientes, o sea que los fotones convierten su energía en energía
eléctrica. Son de esta clase de interacción las celdas solares, los fotodiodos y los detectores ópticos.
hv
Eg
Ec
Ec
Ev
Ev
Figura 1. Absorción en un semiconductor.
Cuando se recombinan electrones con huecos se generan fotones (luz), proceso conocido como de emisión
y que se representa esquemáticamente en la figura 2. Los electrones y los huecos se pueden inyectar en
exceso mediante una fuente externa en el semiconductor, el cual convierte señales electrónicas en señales
ópticas. Son de esta clase los leds, algunos diodos láser y otros dispositivos.
Ec
Ev
Eg
Ec
hv
Ev
Figura 2. Emisión en un semiconductor.
En esta parte del tema, los dispositivos optoelectrónicos que se van a estudiar dependen de efectos físicos
bastante complejos, motivo por el cual a este nivel solamente se hace una introducción breve y comprensible sin apartarse de la finalidad de lo que se está desarrollando. Por otra parte, sin perder generalidad de
lo que se ha hecho hasta esta etapa, el enfoque en el estudio de estos dispositivos electrónicos se hace con
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el conocimiento físico de lo que es masa efectiva, movilidad, relaciones velocidad campo, etc., que se desarrollan a veces con bases físicas, sin entrar en detalles matemáticos. Algunos conceptos, como emisión
espontánea, emisión estimulada y absorción ya han sido desarrollados en temas anteriores, tal como el que
trata sobre el láser. Otros conceptos que aparecen en el desarrollo de esta parte del tema sin ninguna explicación matemática se hacen con una explicación sencilla para que sean comprensibles.
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