Lasers à semi-conducteur
Lasers à solides

2.1 Physique

Dans un semi-conducteur, les paires électrons-trous corres-pondent à des états excités. Lors de la recombinaison, l’énergie de liaison peut être libérée sous forme radiative, si celle-ci n’est pas en compétition avec d’autres processus. Dans un semi-conducteur polarisé en direct, la durée de vie de la radiation spontanée est très courte (10 ^–10 à 10 ^–9 s), ce qui entraîne un gain très élevé dans un système en inversion de population.

Pour éviter que le rayonnement puisse être absorbé, on s’arrange pour que le gap énergétique soit supérieur à l’énergie hν du photon ; cela est réalisé lorsque les électrons dans la limite inférieure de la bande de conduction viennent se recombiner avec les trous dans la partie supérieure vide de la bande de valence (système à quatre niveaux).

Cette condition est réalisée dans les semi-conducteurs dégénérés à très fort dopage.

Dans une jonction PN, l’inversion est obtenue lorsque l’on fait circuler un courant en appliquant une tension voisine de ΔE/e. ΔE étant le gap énergétique entre les deux bandes et e la charge de l’électron (figure 1). Les longueurs d’ondes émises dépendent de ΔE, donc des matériaux constituant la jonction PN.

L’épaisseur de la jonction PN est de l’ordre du micromètre. Le guidage sur un certain trajet entouré de matériau qui risque d’absorber le rayonnement émis devenant important a obligé à développer des techniques particulières de ces jonctions. Comme l’indice de réfraction est très élevé (3 à 4), les coefficients de réflexion des faces de sortie sont élevés (plus de 30 %). Les caractéristiques des matériaux semi-conducteurs sont très sensibles à la température (dispersion, indice de réfraction, longueur d’onde d’émission).

Les diodes laser à semi-conducteur actuelles, suivant les matériaux et le dopage émettent sur des plages de longueurs d’onde bien distinctes.