LE MONDE QUANTIQUE AU QUOTIDIEN: L OPTO-ELECTRONIQUE

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1 LE MONDE QUANTIQUE AU QUOTIDIEN: L OPTO-ELECTRONIQUE Emmanuel ROSENCHER Office National d Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA) Département de Physique (École Polytechnique) «Laissez dire les sots ; le savoir a son prix» Jean de La Fontaine. Livre VIII L'Avantage de la science 1/40 De quoi va-t-on parler? Là où tout commence : l effet photoélectrique Les briques de base La détection quantique Les émetteurs de lumière Les nouvelles frontières 2/40

2 LA OU TOUT COMMENCE: L EFFET PHOTOELECTRIQUE 3/40 En 1887, Rudolf-Heinrich Hertz d écouvre l effet photoélectrique V 0 Rudolf-Heinrich Hertz, /40 Philipp von Lenard, 1895 «Il semble y avoir un rapport entre l énergie des électrons émis et la fréquence de la lumière excitatrice»

3 LE SPECTRE DU CORPS NOIR Hertz Emissivité (W/m 2 /µm) K 1000K Max Planck 14 Décembre Longueur d'onde (µm) La lumière arrive en paquets d énergie quantifiée E = h f 5/40 h = J.s Et Dieu créa Albert Einstein Énergie des électrons métal vide DE W= potentiel qui retient les électrons dans le métal Albert Einstein en 1905 h f h f 6/40 h = constante de Planck découverte dans le spectre du corps noir

4 Millikan passe 12 ans de sa vie à vouloir démontrer que Einstein à tort DE Millikan 1925 h = J.s!!!!! C est celui qui dit qui est! La Physique Quantique vient de naître. 7/40 1, 24 ( ev ) longueur d' onde ( µm) = µm energie du photon ( ev ) Énergie (ev) Longueur d onde 100 X 10 nm Pile électrique 10 1 UV 100 nm 1 µm 300 K 0,1 infrarouge 10 µm 8/40 0, µm

5 La cellule photoélectrique: le premier composant quantique LEE De FOREST La première caméra de télévision 9/40 QUELQUES BRIQUES DE BASE: Les semiconducteurs La diode Le puits quantique 10/40

6 Louis de Broglie découvre que les électrons se comportent comme des ondes Énergie des électrons l l /40 E 2 = h 1 Relation entre la longueur d onde et l énergie 2m 2 λ d un électron Wigner, Seitz, Bloch décrivent la structure de bandes des solides énergie Bande d énergies interdites 12/

7 énergie Un état vide dans la bande de valence est un trou Bande de conduction Bande d énergies interdites = Bande de valence Wolfgang Pauli 13/40 Le trou se déplace dans la direction opposée à celle de l électron: C est une quasi-particule de charge positive 14/40

8 La transition optique interbande Bande de conduction Bande de valence 15/40 Absorption de photons Émission de photons Gaps et couleurs UV Visible Infrarouge proche Infrarouge lointain 16/40

9 Le dopage, la zone de charge d espace et la jonction p/n P + Dopage n δ+ Mendeleev B C P III IV V Champ électrique B - 17/40 Dopage p Le puits quantique (1) TECHNOLOGIES DE L ULTRA-VIDE /40

10 Le puits quantique (2) AlGaAs GaAs AlGaAs 2 1 vidéo 19/40 LA DETECTION QUANTIQUE: L effet photovoltaïque Les détecteurs infrarouge Les caméras CCD Les cellules solaires 20/40

11 PHOTO-DETECTION QUANTIQUE BC BC BV transition interbande photoémission interne transition inter-sousbande 21/40 EFFET PHOTOVOLTAIQUE n p ++ 22/40

12 Exemple 1: MATRICE CCD V g Paquet d électrons photocréés 23/40 Métal Oxide licium Taille typique actuelle: 6 µm x 6 µm Nombre typique de pixel: Taille de matrice: 1 cm 2 Exemple 2: les détecteurs infrarouge Hg x Cd 1-x Te Pourquoi les bandes 3-5 µm et 8-12 µm sont elles si importantes? 1.0 CO, CO 2, NO, N 2 O, SO 2, O 3, CH 4 TNT, H 2 O, Sarin, 0.8 Transmission Longueur d'onde (µm) /40

13 Exemple 2: les détecteurs infrarouge Hg x Cd 1-x Te 3 5 µm soit ev 8 12 µm soit ev 25/40 Imagerie thermique infrarouge Image d un avion furtif en infrarouge 26/40 Mauvaise vascularisation d une main Niveau de carburant

14 Exemple 3: Cellule solaire en silicium Rendement quantique : 15 % Ensoleillement maximal : 1000 W/m 2 Courant maximal : 150 W/m W m^2.µm Spectre solaire Rendement de conversion dans ev 27/40 LES EMETTEURS DE LUMIERE: Diodes électroluminescentes Diodes lasers 28/40

15 LA DIODE ELECTROLUMINESCENTE (LED) AlGaAs N GaAs AlGaAs P p ++ n LED : 1 électron 1 photon soit 1 Amp 1 Watt Ampoule : 1 Amp 0,1 Watt 29/40 Émission spontanée CARACTERISTIQUES DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES GAP Puissance émise Ampoule Énergie des photons Caractéristiques Large spectre émis Faisceau assez divergent Fréquence de modulation faible ( 100 MHz) Technologie planaire faible coût 30/40 Applications Commandes à distance (zappette, automobile, ) Panneau d affichage, feux. Réseaux locaux de télécom Révolution de l éclairage

16 COULEURS DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES Bande interdite à 0 K (ev) BN C ZnO UV AlN ZnS GaN ZnSe AlP AlAs ZnTe GaP InN CdSe GaAs InP Maille du cristal (Ang.) 31/40 LES AVENTURES DE LA DIODE BLEUE 1974 : Découverte de l électroluminescence de GaN dans le bleu : Recherche de dopants p de GaN 1980 : Article théorique «on the impossibility to p-dope wide band gap materials» : Fin des recherches sur GaN : Recherche de Nakamura à la société Nichia du dopage p de GaN 1993 : Découverte du dopage de GaN par Mg!!! 2005 : Marché mondial de plusieurs milliards d Euros Nakamura Avant la découverte de Nakamura Après la découverte de Nakamura 32/40 MORALE DE CETTE HISTOIRE????

17 L EMISSION STIMULEE Absorption Émission spontanée Émission stimulée Amplification optique Albert Einstein /40 L OSCILLATION LASER Miroir Miroir Intensité de l onde Amplificateur optique 34/40

18 LE LASER A SEMICONDUCTEUR AlGaAs P GaAs AlGaAs N n General electric 1968 p 35/40 John von Neuman 1952 LES CARACTERISTIQUES DU LASER A SEMICONDUCTEUR Puissance émise laser LED λ Énergie des photons Caractéristiques Spectre émis très pur Faisceau très fin Fréquence de modulation élevé (> 30 GHz) Technologie non planaire coût élevé Applications Télécommunications Lecteurs de disques CD Pointeurs laser 36/40

19 GaP/AlGaP 5 Rouge Pointeurs 4 3 GaN AlP AlAs GaAs/AlGaAs 2 GaP InN µm InP Lecteur CD 1 GaAs InAs InP/InGaAs µm Maille du cristal (Ang.) Télécom. 37/40 GaN/AlGaN Bleu-UV CD, DVD Bande interdite à 0 K (ev) Gammes des diodes lasers 7 6 AlN Exemple d applications: le lecteur de disque compact CD et DVD Longueur d onde 785 nm 405 nm Capacité de stockage 0.15 GB/cm GB/ cm 2 Encyclopédia Univ. 0.6 m m 2 38/40

20 Exemple d applications: les télécommunications optiques Seule le laser permet de faire entrer la lumière dans un guide d onde 4 µm!!! Encyclopedia Universalis» GigaBit en 1/10 s sur 3000 km 39/40 LES FRONTIERES: Les nouvelles longueurs d onde Les atto-secondes Les oscillateurs paramétriques optiques Les cristaux photoniques La nano-optique. 40/40

21 Radio et hyperfréquences Une terra incognita: les térahertz Optique HF VHF UHF P L S C X KuK KaW THz LWIR SWIR NIR UV 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz 1 THz 10 THz 100 THz 1 PHz 30 m 3 m 30 cm 3 cm 3 mm 300 µm 30 µm 3 µm 300 nm 40 nev 0.4 µev 4 µev 40 µev 0.4 mev 4 mev 40 mev 0.4 ev 4 ev Intensité Peau, tissu 41/40» l» 1 mm distance Vue térahertz d un porteur de couteau (Jepherson Lab) Les atto-secondes (0, s) 10 6 durée (seconde) Optoélectronique Electronique Année Un électron met 150 attosecondes pour faire le tour de l atome d hydrogène 42/40