LE MONDE QUANTIQUE AU QUOTIDIEN: LA MICRO ET OPTO-ELECTRONIQUE

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1 LE MONDE QUANTIQUE AU QUOTIDIEN: LA MICRO ET 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

2 De quoi va-t-on parler? Là où tout commence : l effet photoélectrique Les briques de base La micro-électronique La détection quantique Les émetteurs de lumière Les nouvelles frontières 2/40

3 LA OU TOUT COMMENCE: L EFFET PHOTOELECTRIQUE 3/40

4 En 1803, Thomas Young prouve la nature ondulatoire de la lumière 1 2 Thomas Young La lumière est une onde E = E 1 + E - Les ondes s ajoutent E = E + E + 2 E 1 E 2 4/40 interferences

5 En 1887, Rudolf-Heinrich Hertz découvre 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»

6 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 6/40 h = J.s

7 Et Dieu créa Albert Einstein et Albert Einstein créa le photon Énergie des électrons métal vide E W= potentiel qui retient les électrons dans le métal Albert Einstein en 1905 h f h f 7/40 h = constante de Planck découverte dans le spectre du corps noir

8 Millikan passe 12 ans de sa vie à vouloir démontrer que Einstein à tort E Millikan 1925 h = J.s!!!!! La Physique Quantique vient de naître. 8/40

9 longueur d' onde( µm) = 1, 24 ( ev ) energie du photon ( ev ) µm 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 9/40 0, µm

10 La cellule photoélectrique: le premier composant quantique LEE De FOREST La première caméra de télévision 10/40

11 QUELQUES BRIQUES DE BASE: Le formalisme de la mécanique quantique Les semiconducteurs La diode Le puits quantique 11/40

12 Dualité onde - corpuscule Aspect ondulatoire Aspect corpusculaire La lumière est une onde - Les ondes s ajoutent? E = E 1 + E 2 12/40

13 Louis de Broglie découvre que les électrons se comportent comme des ondes Énergie des électrons λ λ /40 E 2 = h 1 Relation entre la longueur d onde et l énergie 2m λ 2 d un électron

14 La mécanique quantique et l interprétation de Copenhague P ( ) ψ = ψ + ψ ψ + ψ = ψ 1 ψ1 + ψ 2 ψ Re ψ1 ψ 2 si 2 est fermé si 1 est fermé - L état d une particule est définie par une fonction d onde ψ -L espace des états est un espace vectoriel ψ = ψ 1 + ψ 2 ( la particule passe par les deux fentes en même temps ) ψ -Le carré de la norme de (noté trouver la particule dans l état ψ ψ ψ ) est la probabilité de Niels Bohr /40

15 La mécanique quantique n est pas une occupation sans dangers Exemple: Le chat de Schrödinger Compteur de photon 1 = chat mort 2 = chat vivant Capsule de cyanure chat = ( chat vivant chat mort ) /40 Erwin Schrödinger 1930

16 Bloch, Seitz, Wigner décrivent la structure de bandes des solides énergie Bande d énergies interdites 16/

17 énergie Un état vide dans la bande de valence est un trou Bande de conduction Bande d énergies interdites = Bande de valence Wolfgang Pauli 17/40 Le trou se déplace dans la direction opposée à celle de l électron: C est une quasi-particule de charge positive

18 La transition optique interbande Bande de conduction Bande de valence 18/40 Absorption de photons Émission de photons

19 Gaps et couleurs 4.0 ZnS UV ENERGY GAP AT 4.2 K IN ev AlP ZnSe GaP GaAs Si Ge CdS AlAs InP Zn 0.5 Mn 0.5 Se Cd 0.5 Mn 0.5 Te ZnTe CdSe AlSb CdTe GaSb InSb InAs HgS HgSe HgTe Visible Infrarouge proche Infrarouge lointain LATTICE CONSTANT IN A /40

20 Le dopage, la zone de charge d espace et la jonction p/n Si Si Si Si P + Si Si Si Si Dopage n Si Si δ+ Si Mendeleev B C Si P III IV V Champ électrique Si B - Si Si Si Si 20/40 Dopage p

21 TRANSISTOR REX 1 µm Chronique d un miracle annoncé /40

22 The famous lab book entree Décembre 1947 Bardeen, Shockley, Brattain 22/40

23 Décembre 1947 Le premier transistor 1958 Le premier circuit intégré (Jack Kilby) 2005 Circuit à de transistors (Intel) 23/40

24 24/40 L EXPLOSION DE LA MICROELECTRONIQUE

25 LA DETECTION QUANTIQUE: L effet photovoltaïque Les caméras CCD Les cellules solaires 25/40

26 PHOTO-DETECTION QUANTIQUE BC BC BV transition interbande photoémission interne transition inter-sousbande 26/40

27 EFFET PHOTOVOLTAIQUE n p ++ 27/40

28 Exemple 1: MATRICE CCD V g Paquet d électrons photocréés 28/40 Métal Oxide Silicium Taille typique actuelle: 6 µm x 6 µm Nombre typique de pixel: Taille de matrice: 1 cm 2

29 Exemple 2: Cellule solaire en silicium Rendement quantique : 15 % Ensoleillement maximal : 1000 W/m 2 Courant maximal : 150 W/m Wm^2.µm Spectre solaire Rendement de conversion dans Si ev 29/40

30 LES EMETTEURS DE LUMIERE: Le puit quantique Diodes électroluminescentes Diodes lasers 30/40

31 Le puits quantique (1) EPITAXIE PAR JETS MOLECULAIRES TECHNOLOGIES DE L ULTRA-VIDE GaAs AlGaAs GaAs 31/40 As Ga Al Enceinte ultra-vide

32 Le puits quantique (2) AlGaAs GaAs AlGaAs /40

33 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 33/40 Émission spontanée

34 CARACTERISTIQUES DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES GAP Puissance émise Ampoule Énergie des photons 34/40 Caractéristiques Large spectre émis Faisceau assez divergent Fréquence de modulation faible ( 100 MHz) Technologie planaire faible coût Applications Commandes à distance (zappette, automobile, ) Panneau d affichage, feux. Réseaux locaux de télécom Révolution de l éclairage

35 COULEURS DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES Bande interdite à 0 K (ev) BN C ZnO AlN GaN ZnSe AlP AlAs GaP InN Si ZnS UV GaAs InP ZnTe CdSe Maille du cristal (Ang.) 35/40

36 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 36/40 MORALE DE CETTE HISTOIRE????

37 L EMISSION STIMULEE Absorption Émission spontanée Émission stimulée Amplification optique 37/40 Albert Einstein 1917

38 L OSCILLATION LASER Miroir Miroir Intensité de l onde Amplificateur optique 38/40

39 LE LASER A SEMICONDUCTEUR AlGaAs P GaAs AlGaAs N n General electric 1968 p 39/40 John von Neuman 1952

40 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 40/40

41 41/40 GaN/AlGaN Bleu-UV CD, DVD GaP/AlGaP Rouge Pointeurs Bande interdite à 0 K (ev) Gammes des diodes lasers AlN 3 GaN AlP AlAs 2 GaP GaAs/AlGaAs InN µm InP Lecteur CD 1 Si GaAs InAs InP/InGaAs µm Maille du cristal (Ang.) Télécom.

42 Exemple d applications: le lecteur de disque compact CD et DVD 42/40 Longueur d onde 785 nm 405 nm Capacité de stockage 0.15 GB/cm GB/ cm 2 Encyclopédia Univ. 0.6 m m 2

43 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 43/40

44 LES FRONTIERES: La nano-électronique Les térahertz Les atto-secondes(10-18 s!!) Les ExaWatts (10 18 Watt!) Les états intriqués et la cryptographie quantique. 44/40

45 Radio et hyperfréquences Une terra incognita: les térahertz Optique HF VHF UHF P L S C X Ku K Ka W 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 45/40 λ 1 mm distance Vue térahertz d un porteur de couteau (Jepherson Lab)

46 La science et la technologie sont intimement liées 46/40