PHOTONIQUE ou OPTRONIQUE [OPTOELECTRONIQUE]

Transcription

1 PHOTONIQUE ou OPTRONIQUE [OPTOELECTRONIQUE]

2 * Optronique : Ingénierie du faisceau lumineux (modulation, polarisation, fibres, guides...). * Optoélectronique : Interaction photon - électron (composants actifs : émetteurs ou récepteurs).

3 Physique des Semi-conducteurs. Matériaux SC, Génération/Recombinaison de porteurs, Jonction PN à l équilibre thermique et polarisée,...

4 Composants Optoélectroniques: Sources (ou émetteurs) de lumière. (DEL, Lasers à SC,...). P N Jonction PN

5 1. Introduction - Généralités: Définition: * Composants Optoélectroniques = Systèmes qui convertissent un courant ou une puissance électrique en un rayonnement optique et vice versa. * Ce sont des composants actifs dont le principe de fonctionnement est basé sur l interaction rayonnement-solide.

6 Électron Photon Émetteurs de (h) lumière (DEL, Diode Laser). Photon Électron Détecteurs (Photodiode, Cellule solaire, ) Domaine optique : 10-2 µm < < 10 2 µm

7 2. Absorption optique: 2.1. Définitions: I(x, ) = Intensité lumineuse à la profondeur x. L énergie absorbée par la tranche [x,x+dx] est proportionnelle à son épaisseur dx et à l énergie reçue. (x,) = Coefficient de proportionnalité = Coefficient d absorption optique: ( x, ) 1 dx di( x, ) I( x, ) (Unité: cm -1 )

8 I( x, ) I( 0).exp[ ( ). x] * Si on tient compte de la réflexion à la surface du matériau, on a alors: I( x, ) I( 0).( 1 R).exp[ ( ). x] R = Coefficient de réflexion du matériau; il dépend peu de la longueur d onde incidente.

9 Matériaux semiconducteurs Electrons de valence Diagramme de bandes d énergie Différentes transitions Différents processus d absorption et d émission

10 2.2. Différents processus d absorption: a) Transition directe: Absorption fondamentale B.C h Eg B.V k 2 * 2m e 2 k 2 * 2m t h

11 b) Transition indirecte: BC h E g BV

12 c) Transition extrinsèque: E C BC h E D E T E g E A E V BV

13 2.4. Spectre d absorption: Représentation du coefficient d absorption en fonction de l énergie du photon ou de sa longueur d onde. (E et sont inversement proportionnels)

14 Retour à l équilibre... Différents types de transitions électroniques sont possibles.

15 3. Transitions électroniques dans un semiconducteur: BC E D E T E c E g E A BV E v 1 2 Transitions inter-bandes Transitions extrinsèques 3 Transition intra-bande

16 3.1. Transitions radiatives et non radiatives:

17 Lorsque des porteurs libres (électrons et trous) sont injectés ou créés dans un SC, celui-ci n est plus à l équilibre. Si le retour à l équilibre se fait par des transitions avec émission de photons, alors les transitions sont dites radiatives.

18 Génération d une paire électron-trou E A E T NR E c E v E A = niveau associé à un centre luminescent E T = niveau associé à un piège NR = transition non radiative photon émis d énergie h

19 SC à gap direct: électron BC Transition radiative Photon (h) trou BV

20 3.2. Longueur d onde de l émission: Recombinaison radiative d une paire électrontrou émission d un photon d énergie égale à h. h = constante de Planck = 6, J.s = fréquence de l onde émise. 0 c hc E g (dans le vide) ( µm) 0 1,24 E ( ev g ) 0 n (dans le milieu d indice de réfraction n)

21 3.3. Définitions: Luminescence : c est l émission de lumière consécutive à une excitation extérieure.

22 Electrique: électroluminescence. Optique: photoluminescence. Faisceau d électrons: cathodoluminescence. Acoustique: sonoluminescence.

23 4. Diode Eletro-Luminescente (DEL). «Light Emitting Diode» (LED) Applications: * Dispositifs d'affichage et de visualisation (visible : 0,4 m < < 0,8 m). * Emetteurs de lumière, pour affichage, éclairage, communication par fibre optique ( PIR: 0,8-1,3-1,55 m).

24 4.1. Matériaux pour DEL: SC III-V: SC à bande interdite directe (gap direct) et transitions radiatives. Intérêt pratique: possibilité de fabriquer des alliages (binaires, ternaires ou quaternaires) dont la largeur de la bande interdite est variable. Exemples: GaAs : E g =1,43 ev (= 0,86 m) (Al x Ga 1-x )As : 0,82 m < m (In x Ga 1-x )As : m (In x Ga 1-x )(As y P 1-y ) : 1,02 m < m

25 4.2. Principe de fonctionnement :

26 E D E T E c E g E A E v 1 2 Transitions inter-bandes Transitions extrinsèques 3 Transition intra-bande

27 Jonction PN, V>0 P N polarisée en direct: h Injection d électrons BC E Fn E Fp Injection de trous h BV

28 4.3. Spectre d émission d une DEL : Variation de l intensité lumineuse (I) en fonction de l énergie (h) des photons émis : Longueur d onde ( 0 ) pour Imax. Largeur à mi-hauteur (). T k E h E h A I h I B g g exp ) ( ) ( ) ( 2 1/ 2

29 4.4. Rendement quantique interne : a) Rendement radiatif, q (ou rad ) : Dans tout dispositif luminescent, les recombinaisons radiatives sont en compétition avec celles qui sont non radiatives.

30 nr r r nr r r r q n n n R R R R R * R r = taux de recombinaisons radiatives. * R nr = taux de recombinaisons non radiatives. * R = taux de recombinaison global.

31 Soit: rad q r nr nr Si r << nr Si nr << r q 1: SC III-V q 10-4 : Si, Ge

32 b) Rendement quantique interne, i : Nb de photons émis dans la jonction / Nb d e - injectés à la jonction: e inj J n i J J p n J gr e inj. rad e inj. nr nr taux d injection des électrons 1. r D où: i rad

33 Injection de porteurs : 1 ) exp( 1 ) exp( 1 ) exp( T k qv L qn J T k qv L p qd J T k qv L qd n J B n r g B p n p p B n p n n 1 ) 2 exp( 2 1 ) exp( 1 ) exp( T k qv qwn J T k qv L p qd J T k qv L qd n J B i r g B p n p p B n p n n

34 4.5. Rendement optique : o (ou Rendement externe de luminescence) Nb de photons émis à l extérieur de la jonction / Nb de photons créés à la jonction: Loi de Descartes... Air (n 0 =1) P (n SC ) N rt sin rt 1 n SC angle de réflexion totale.

35 0 rt 0 T rt 0 Angle solide délimité par θ Angle solide couvrant tout l' espace T Coefficien t de transmission. rt ; 4 sr;

36 Soit: n ( SC n SC 1) 2 Exemple: n SC 3,5 rt %

37 4.6. Rendement quantique externe : e Nb de photons émis à l extérieur de la jonction / Nb d e - injectés à la jonction: e N ph, ext N e x N N ph, jct ph, jct N N jct e x N N ph, ext ph, jct. e i o

38 4.7. Rendement global, : Puissance lumineuse émise à l extérieur de la jonction / Puissance électrique absorbée par la jonction: W W op. él. P T V. I D où:. e h qv