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Componentes Electrónicos Avanzados / Febrero 2006. Diodos láser y fotodiodos
1) Sea un diodo láser de doble heterounión (no SC-LD) con cavidad de Fabry-Perot, con longitud de la
cavidad L, anchura lateral W, espesor d, índice de confinamiento =1, reflectividad Rm,o en la faceta
de salida, reflectividad Rm,r en la faceta posterior y coeficiente de pérdidas por scattering s .
a) [0.5 puntos] Deduce brevemente la expresión para el coeficiente de pérdidas total de la cavidad r.
b) [1 punto] Indica cualitativamente cómo variará cada uno de los siguiente parámetros (,,=)
 si se aumenta el espesor d:
corriente umbral
 si se aumenta la reflectividad Rm,r de la faceta posterior:
Ith
coef. de pérdidas total de la cavidad
Inversión de población umbral
nth
ganancia neta en oscuridad
neta,o
ganancia neta
ganancia neta (1)
neta
inversión de población(1)
potencia óptica emitida
astigmatismo
(1,2)
neta,o
ganancia neta en oscuridad
neta
(1)
Popt
flujo de luz dentro de la cavidad
As
potencia óptica emitida
(1): en oscilación estacionaria para una IF dada ( >Ith)
(2): por la faceta de salida
r
n
(1)
(1,2)
tiempo de recombinación estimulada (1)

Popt
st
c) [1 punto] Deduce una expresión para la dependencia de Ith con la reflectividad de la faceta posterior
Ith(Rm,r). Da la expresión en función de la corriente umbral, Ith1, que tendría el LD para Rm,r =1.
(Puedes seguir un procedimiento análogo al que seguimos en clase para la deducción de Ith(L)).
1
2) El HL6501 de Hitachi es un diodo láser de pozo cuántico múltiple con emisión en el rojo y potencia
óptica de salida Po de hasta 35 mW. A continuación se adjuntan algunas de sus características:
a) [1 punto] Completa el diagrama de capas (indicando qué misión cumple cada capa, de qué
semiconductor es y cuál es su dopado (p, n, p+, n+, i)) y la gráfica del índice de refracción n(z).
Supón que el pozo cuántico múltiple (MQW) consta de tres QWs.
MISIÓN DE LA CAPA
COMPOSICIÓN
DOPADO
z
buffer
sustrato
n+
n
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b) [0.3 p] Indica qué técnica de crecimiento epitaxial es más probable que se haya utilizado en la
fabricación de este LD (nombre y siglas):
 Menciona otras dos técnicas de crecimiento epitaxial diferentes que conozcas (nombre y siglas)
indicando muy brevemente en cada una por qué es en principio desaconsejable para la
fabricación de este LD:
1.
2.
c) [1.5 puntos] Calcula, indicando las operaciones:
 La eficiencia diferencial en la faceta de salida, d (en mW/mA), para TC=25ºC
 Cuál sería el máximo valor de d que se podría conseguir si las dos facetas fueran iguales
 La temperatura característica para la corriente umbral, To.
 Una estimación de la tensión de disparo V
 Una estimación de la resistencia parásita en serie, sabiendo que para Tc=25ºC y Po=30 mW la
tensión de funcionamiento típica es VF = 2.6 V.
Semic. InAs
InP
GaAs AlAs
GaP
AlP
Eg(eV) 0.36
1.35
1.42
2.16
2.26
2.45
a (nm) 0.6057 0.5869 0.5653 0.5661 0.5451 0.5452
q(C)
kB (eV/K)
c0 (m/s)
h (J·s)
1.6·10
8.617·10
3·10
6.63·10-34
-
-5
8
19
3
d) [0.4p] En el espectro de emisión se observa un solo modo longitudinal. A la vista de las otras
gráficas, da argumentos dos argumentos convincentes que avalen el se trata de un LD multimodo
en el que prevalece un modo y no de un LD monomodo.
1.
2.
e) [0.4p] Haz una estimación de d gef /dT para la zona activa y una estimación del aumento de
temperatura de la unión, TJ, al pasar de Po = 5 mW a Po = 30 mW. Indica las operaciones
f) [0.4p] Explica a qué se debe la forma irregular de p(T) que se observa en la gráfica.
g) [0.2p] Indica, argumentándolo muy brevemente, de qué semiconductor crees que será el fotodiodo
monitor (PD) que lleva este LD.
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3) [1 punto] Indica qué tipo de diodos láser se utilizarán para las aplicaciones que se indican:
 (nm)
Aplicación
(o, al menos,
rango espectral)
Familia de
semiconductores
Tipo de
cavidad
(FP, DBR, etc)
Confinamiento lateral
(ganancia o índice)
Lectores de CDs
_____
Punteros láser
_____
Prototipos de lectores
ópticos con  muy corta
_____
Emisores para FO a
alta velocidad y larga
distancia
1.
2.
1.
Bombeo de EDFAs
2.
4) [0.5 p] Sea la estructura innovadora que se representa en la figura. Consta de dos regiones diferentes, 1
y 2, ambas sometidas a una inyección de corriente tal que su zona activa está en inversión de
población. La guía de ondas contiene una zona activa, no representada en el dibujo, con Eg menor
que la de la guía de ondas. Dicha zona activa tiene la misma Eg a lo largo de todo el chip. Indica qué
función desempeñarán cada una de las dos zonas y, en particular, si alguna de las dos regiones del
chip funcionara cómo LD. Razona tu respuestas.
5
5) [0.8 puntos] Sea el espectro de la sensibilidad  de un PD GaInAs/InP de referencia iluminado por
delante. Dibuja los nuevos espectros de  si, manteniendo todo lo demás igual al PD de referencia:
(i) Disminuye la temperatura
(ii) Aumenta el espesor de la capa superior de InP

(A/W)

(A/W)
0.8 × 
0.8 × 
 (m)
 (m)
(iii) Se quita la capa antirreflejante

(A/W)
(iv) Aumenta el espesor de la capa de GaInAs

(A/W)
0.8 × 
0.8 × 
 (m)
 (m)
6) [1 punto] Sea un fotodiodo polarizado en inversa con VR= 5V con una resistencia de carga de 200 .
Dicho fotodiodo tiene una sensibilidad (para la  de trabajo) de =0.6 A/W, una tensión de disparo
V=0.7 V y (debido a un proceso incorrecto en los contactos) una resistencia parásita en serie no
despreciable rs = 50  . Calcula la tensión y la corriente en los bornes del fotodiodo (siguiendo el
convenio de signos habitual) para las potencias ópticas que se indican. Indica cómo lo calculas.
(Puedes ayudarte, si quieres, del circuito equivalente).
RL =200 
0.6 A/W
rs = 50 
VR =5 V
Popt
V
I
(mW) ( V ) (mA)
10
50
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Componentes Electrónicos Avanzados / Febrero 2006. Semiconductores y LEDs
1) Sea un portador en un estado asociado a una impureza (por ejemplo, por fijar ideas, un aceptor) en un
semiconductor directo. Supón que ese estado está bastante localizado espacialmente. Contesta de
forma razonada si el tiempo de recombinación radiativa vía impureza será mayor o menor que para el
caso de un estado menos localizado.
2) Sea un semiconductor tipo n, con concentraciones de equilibrio no y po en el que la recombinación es
banda a banda. Supón que para t=0 tenemos p ≈ 0 (es decir, p«po) y que hay neutralidad de carga.
Indica si estamos o no en baja inyección. Calcula la dependencia funcional de p(t) (evolución
temporal de la concentración de minoritarios) suponiendo que para t>0 el sistema evoluciona sin
perturbación externa. Indica cómo lo hayas.
3) Sea un proceso de absorción de un fotón con energía h en un semiconductor indirecto (siendo Eg <
h < Egdir). Durante dicho proceso se genera un par electrón-hueco y se emite un fonón. (a) Escribe
las expresiones correspondientes a la ley de la conservación de la energía y a la ley de conservación
del momento (k) para dicho proceso. (b) Reescribe las expresiones anteriores despreciando aquellas
contribuciones (de E o de k) que sean poco importantes.
4) (i) Calcula qué resistencia de carga R L habría que ponerle a un LED verde amarillento convencional
para hacerle circular 20 mA al conectarle a una batería de 4 V, suponiendo que su resistencia parásita
en serie fuera de 30 . Indica las operaciones. (ii) Y si se le conecta a la bateria sin resistencia de
carga, ¿qué corriente circulara? ¿Qué temperatura aproximada alcanzaría la unión suponiendo que la
resistencia térmica entre unión y ambiente fuera RthJA=1 ºC/mW y Ta=25 ºC? Indica las operaciones.
5) Contesta a las siguientes cuestiones argumentando tu respuesta de forma precisa y breve:
a) Sean dos LEDs ambos con idéntico chip y con emisión lambertiana pero uno de ellos (A)
encapsulado y el otro (B) sin encapsular. Cuál tendrá mayor eficiencia cuántica externa.
b) Cuál tendrá una mayor frecuencia de corte: (A) un IRED con emisión en 950 nm y V =1.1V o (B)
un IRED con emisión en 880 nm y V =1.4 V.
c) Cuál emitirá un mayor flujo luminoso (para la misma corriente IF): (A) un LED azul o (B) un LED
verde, si la responsibidad fuera igual para los dos.
6) y 7) Existe una técnica para fabricar LEDs blancos a partir de LEDs azules en la que, en vez de usar
una capa fosforescente, se utiliza un semiconductor con Eg adecuada (llamado semiconductor
complementario). En la figura adjunta aparece el LED azul con  =485 nm crecido sobre un sustrato
de zafiro (transparente) y una capa epitaxial del semiconductor complementario unida a la otra cara
del zafiro mediante la técnica de fusión de obleas. Dicho semiconductor absorberá parte de la luz azul
y la reemitirá por emisión banda a banda.
a) Indica: (i) con qué familia de semiconductores estará fabricado el LED, (ii) de qué semicon-ductor
será la zona activa y (iii) por qué el dispositivo aparece en el dibujo con forma de mesa.
b) Calcula cuál debe ser la anchura de banda prohibida Eg del semiconductor complementario para
poder obtener luz blanca. Indica cómo lo calculas
c) Di: (i) de qué familia será el semiconductor complementario y (ii) sobre qué sustrato se habrá
realizado originariamente su crecimiento epitaxial. Razona brevemente tus respuestas.
d) Di si, para que el dispositivo funcione adecuadamente es necesario que el semiconductor
complementario esté dopado o tenga contactos eléctricos. Si la respuesta es afirmativa indica
cómo y si es negativa indica por qué.
e) Supón que la Eg y el espesor del semiconductor complementario están correctamente calculados
para que la luz resultante sea blanca pero que, inesperadamente, debido a un proceso incorrecto
durante la fusión de obleas, se han producido centros profundos en el semiconductor. ¿De qué
color apreciaríamos entonces la luz “blanca” emitida? Razona brevemente tu respuesta y señala de
forma cualitativa sobre la gráfica las coordenadas cromáticas que resultarían.
f) ¿Se podría usar un LED verde con emisión en 520 nm buscando el semiconductor complementario
adecuado? En caso afirmativo, indica cuál y con qué Eg. En caso negativo, indica por qué.
1
LED azul
(485nm)
zafiro
semiconductor
complementario
Semic. InAs
InP
GaAs AlAs
GaP
AlP
Eg(eV) 0.36
1.35
1.42
2.16
2.26
2.45
a (nm) 0.6057 0.5869 0.5653 0.5661 0.5451 0.5452
q(C)
kB (eV/K)
c0 (m/s)
h (J·s)
1.6·10-
8.617·10-5
3·108
6.63·10-34
19
2