composants opto lectroniques n.
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Composants optoélectroniques. P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg. Plan du cours. 1 Introduction Interaction rayonnement-semiconducteur Photodétecteurs Emetteurs de rayonnement à semiconducteur. Plan du cours. 1 Introduction Interaction rayonnement-semiconducteur Photodétecteurs

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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composants opto lectroniques

Composants optoélectroniques

P. Lévêque

CNRS-InESS, Strasbourg

plan du cours

Plan du cours

  • 1 Introduction
  • Interaction rayonnement-semiconducteur
  • Photodétecteurs
  • Emetteurs de rayonnement à semiconducteur
plan du cours1

Plan du cours

  • 1Introduction
  • Interaction rayonnement-semiconducteur
  • Photodétecteurs
  • Emetteurs de rayonnement à semiconducteur
introduction probl matique

IntroductionProblématique

Composants optoélectroniques

Lumière (rayonnement)

Matériau semiconducteur

Interaction rayonnement / matériau semiconducteur

introduction probl matique1

IntroductionProblématique

Composants optoélectroniques

  • Dispositifs détecteurs de lumière
      • cellule photovoltaïque
  • Dispositifs émetteurs de lumière
  • diode électroluminescente
plan du cours2

Plan du cours

  • 1 Introduction
  • Interaction rayonnement-semiconducteur
  • Photodétecteurs
  • Emetteurs de rayonnement à semiconducteur
plan du cours3

Plan du cours

  • 1 Introduction
  • Interaction rayonnement-semiconducteur
  • Photodétecteurs
  • Emetteurs de rayonnement à semiconducteur
interaction rayonnement semiconducteur

Interaction rayonnement-semiconducteur

Photon

B C

B V

Semiconducteur

interaction rayonnement semiconducteur1

Interaction rayonnement-semiconducteur

  • Photons et électrons
  • Interaction électron-photon ; transitions radiatives
  • Absorption ; Emission spontanée ; Emission stimulée
  • Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie
  • Création de porteurs en excès
  • Semiconducteurs pour l’optoélectronique
interaction rayonnement semiconducteur2

Interaction rayonnement-semiconducteur

  • Photons et électrons
  • Interaction électron-photon ; transitions radiatives
  • Absorption ; Emission spontanée ; Emission stimulée
  • Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie
  • Création de porteurs en excès
  • Semiconducteurs pour l’optoélectronique
interaction rayonnement semicond photons et lectrons

lumière - onde

- corpuscule

Onde : ( )

Equations de Maxwell

(milieu non magnétique, isotrope, non chargé)

Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons

interaction rayonnement semicond photons et lectrons2

Lumière onde

: célérité de la lumière

Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons

v : vitesse de phase

n : indice de réfraction

interaction rayonnement semicond photons et lectrons3

Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons

Interaction avec échange d’énergie

Lumière - corpuscule (photon)

- onde

interaction rayonnement semicond photons et lectrons6

Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons

Electron dans le vide

Dualité onde-corpuscule

interaction rayonnement semicond photons et lectrons8

E

E

0

0

k

k

Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons

Electron dans semiconduteur

BC

BC

EC

EC

Eg

Eg

EV

EV

BV

BV

direct

indirect

interaction rayonnement semicond photons et lectrons9

E

0

k

Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons

Electron dans semiconduteur

courbure

BC

EC

Eg

EV

BV

direct

interaction rayonnement semiconducteur3

Interaction rayonnement-semiconducteur

  • Photons et électrons
  • Interaction électron-photon ; transitions radiatives
  • Absorption ; Emission spontanée ; Emission stimulée
  • Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie
  • Création de porteurs en excès
  • Semiconducteurs pour l’optoélectronique
interaction rayonnement semicond interaction photon lectron transitions radiatives

Interaction rayonnement-semicond.Interaction photon-électron ; transitions radiatives

hnif

Ef

Ef

absorption

Ei

Ei

hnif

Ei

Ei

émission

spontanée

Ef

Ef

hnif

hnif

Ei

Ei

émission

stimulée

Ef

Ef

hnif

interaction rayonnement semicond interaction photon lectron transitions radiatives1

Interaction rayonnement-semicond.Interaction photon-électron ; transitions radiatives

Choc élastique photon-électron

Conservation énergie et quantité de mouvement

Ep = hnif = ± (Ef - Ei)

interaction rayonnement semicond interaction photon lectron transitions radiatives2

E

0

k

Interaction rayonnement-semicond.Interaction photon-électron ; transitions radiatives

Ordres de grandeur : photon

Semiconducteur Eg ~ 1eV

BC

Ep ~ 1eV

EC

Eg

l ~ 1µm

EV

BV

kp ~ 10-3 Å-1

interaction rayonnement semicond interaction photon lectron transitions radiatives3

E

0

k

Interaction rayonnement-semicond.Interaction photon-électron ; transitions radiatives

Ordres de grandeur : électrons

Semiconducteur a ~ qqs Å

BC

ki(f)є [0 ; p/a]

EC

Eg

EV

ki(f)є [0 ; 1 Å-1]

BV

interaction rayonnement semicond interaction photon lectron transitions radiatives4

Interaction rayonnement-semicond.Interaction photon-électron ; transitions radiatives

Choc élastique photon-électron

Transitions radiatives « verticales »

Dans l’espace des k

interaction rayonnement semicond interaction photon lectron transitions radiatives5

Interaction rayonnement-semicond.Interaction photon-électron ; transitions radiatives

Choc élastique photon-électron

direct

indirect

BC

BC

absorption

émission

BV

BV

Transitions radiatives

Transitions non radiatives

interaction rayonnement semicond interaction photon lectron transitions radiatives6

Interaction rayonnement-semicond.Interaction photon-électron ; transitions radiatives

Absorption verticale dans SC indirect

BC

thermalisation

absorption

BV

interaction rayonnement semicond interaction photon lectron transitions radiatives7

Interaction rayonnement-semicond.Interaction photon-électron ; transitions radiatives

Transition radiative extrinsèque dans SC indirect

BC

absorption

émission

BV

Niveau discret (impureté). Ex : N dans GaP

interaction rayonnement semiconducteur4

Interaction rayonnement-semiconducteur

  • Photons et électrons
  • Interaction électron-photon ; transitions radiatives
  • Absorption ; Emission spontanée ; Emission stimulée
  • Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie
  • Création de porteurs en excès
  • Semiconducteurs pour l’optoélectronique
interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e

E

BC

EC

Eg

EF

EV

BV

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Rappels

Semiconducteur intrinsèque à l’équilibre

Agitation thermique

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e1

E

EC

Eg

EF

EV

N(E)

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Rappels

Semiconducteur intrinsèque à l’équilibre

Densité d’états N(E) (densité d’états d’énergie autorisés par unité de volume)

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e2

E

EC

Eg

EF

EV

F(E)

0

0.5

1

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Rappels

Semiconducteur intrinsèque à l’équilibre

Probabilité d’occupation F(E) (statistique Fermi-Dirac)

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e3

E

E

EC

Eg

EF

EV

EC

Eg

EF

F(E)

0

0.5

1

EV

N(E)

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Rappels

Semiconducteur intrinsèque à l’équilibre

Concentration de porteurs n :

E

n = ni

EC

Eg

EF

EV

p = pi

n(E)

p(E)

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e4

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Rappels

Semiconducteur extrinsèque à l’équilibre

électron de conduction

Semiconducteur de type n

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e5

E

BC

EC

ED

Eg

EV

BV

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Rappels

Semiconducteur extrinsèque à l’équilibre

Impuretés

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e6

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Rappels

Semiconducteur extrinsèque à l’équilibre

E

E

E

no

EC

EC

EC

ED

EF

EF

Eg

Eg

Eg

EV

EV

EV

po

N(E)

F(E)

n(E)

p(E)

0

0.5

1

nopo = ni2

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e7

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Rappels

Semiconducteur à l’équilibre

NC(V) : densité d’états effective dans BC (BV)

ni dépend du semiconducteur (m* et Eg)

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e8

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Rappels

Semiconducteur à l’équilibre

no et po ne dépendent que de EF

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e9

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Semiconducteur hors équilibre

Excitation externe

Semiconducteur

n ≠ no ; p ≠ po

EF plus défini

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e10

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

E

E

no

BC

BC

Excitation externe

BV

BV

po

SC à l’équilibre

SC hors équilibre

avant thermalisation

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e11

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

E

E

n

Thermalisation

10-13 – 10-12 s

BC

BC

BV

BV

p

SC hors équilibre

avant thermalisation

SC hors équilibre

après thermalisation

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e12

E

E

BC

BC

BV

BV

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

n

Recombinaison

10-9 – 10-3 s

no

émission

po

p

SC hors équilibre

après thermalisation

SC à l’équilibre

Pseudo-équilibre

EFn et EFp indépendants

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e13

E

BC

BV

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Pseudo-équilibre

EFn et EFp indépendants

n

émission

p

SC hors équilibre

après thermalisation

(équilibre : EFp = EFn = EF)

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e14

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission : r(E)

(nombre de photons / s / V)

N(E) : densité de photons d’énergie E

r(E) = rsp(E) + N(E) (rstim(E) – rabs(E))

émission stimulée

émission spontanée

absorption

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e15

E = hnif

Ef

Ef

Ei

Ei

hnif

E = hnif

Ei

Ei

Ef

Ef

hnif

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission : r(E)

(nombre de photons / s / V)

r(E) = rsp(E) + N(E) (rstim(E) – rabs(E))

Taux net d’émission stimulée (rst(E))

rabs(E)

rstim(E)

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e16

E = hnif

Ef

Ef

Ei

Ei

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission : r(E)

(nombre de photons / s / V)

r(E) = rsp(E) + N(E) (rstim(E) – rabs(E))

rabs(E)

hnif

E = hnif

Ei

Ei

rstim(E)

Ef

Ef

hnif

rst(E) = (rstim(E) – rabs(E)) < 0

pas amplificateur

rst(E) > 0

amplificateur

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e17

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux d’émission spontanée : rsp(E)

BC

B(E’, E’’) : probabilité de transition radiative

Nc(E’) : densité d’états dans BC à énergie E’

Nv(E’’) : densité d’états dans BV à énergie E’’

Fc(E’) : probabilité que l’état E’ soit occupé (BC)

Fv(E’’) : probabilité que l’état E’’ soit occupé (BV)

E’

E = hn

E’’

BV

rsp(E’, E’’) = B(E’, E’’) Nc(E’) Fc(E’) Nv(E’’) (1 – Fv(E’’))

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e18

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux d’émission spontanée : rsp(E)

BC

E’

Conservation de l’énergie

E = E’ – E’’

E = hn

E’’

BV

rsp(E, E’) = B(E, E’) Nc(E’) Fc(E’) Nv(E’ - E) (1 – Fv(E’ - E))

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e19

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux d’émission spontanée : rsp(E)

BC

E’

E = hn

E’’

BV

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e20

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission stimulée : rst(E)

BC

E’

E = hn

rst(E) = rstim(E) – rabs(E)

E’’

BV

rabs(E’, E’’) = B(E’, E’’) Nc(E’) (1 - Fc(E’)) Nv(E’’) Fv(E’’)

rabs(E, E’) = B(E, E’) Nc(E’) (1 - Fc(E’)) Nv(E’ - E) Fv(E’ - E)

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e21

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission stimulée : rst(E)

BC

E’

E = hn

E = hn

rst(E) = rstim(E) – rabs(E)

E’’

BV

rstim(E’, E’’) = B(E’, E’’) Nc(E’) Fc(E’) Nv(E’’) (1 - Fv(E’’))

rstim(E, E’) = B(E, E’) Nc(E’) Fc(E’) Nv(E’ - E) (1 - Fv(E’ - E))

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e22

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission stimulée : rst(E)

rst(E) = rstim(E) – rabs(E)

rstim(E, E’) = B(E, E’) Nc(E’) Fc(E’) Nv(E’ - E) (1 - Fv(E’ - E))

rabs(E, E’) = B(E, E’) Nc(E’) (1 - Fc(E’)) Nv(E’ - E) Fv(E’ - E)

rst(E, E’) = B(E, E’) Nc(E’) Nv(E’ - E) (Fc(E’) - Fv(E’ - E))

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e23

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission : r(E) = rsp(E) + N(E) rst(E)

avec

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e24

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission : r(E) = rsp(E) + N(E) rst(E)

En pratique, matériaux très dopés

B (E, E’) indépendant de E, E’

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e25

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Ordre de grandeur de B (300 K)(probabilité de transition radiative)

>>

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e26

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Emission spontanée : Rsp

Rsp = B n p

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e27

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Emission stimulée

où DF = EFn - EFp

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e28

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Emission stimulée

Amplification de rayonnement si rst(E) > 0

DF > E

or E ≥ Eg (transition intrinsèque)

amplification si DF = EFn - EFp > Eg

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e29

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Emission stimulée

Amplification si DF = EFn - EFp > Eg

BC

EFn

DF

Eg

Inversion de population

EFp

BV

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e30

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission : r(E) = rsp(E) + N(E) rst(E)

Densité de photons dans semiconducteur : N(E) = No(E) + DN(E)

avec

(équilibre thermodynamique)

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e31

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission :

Equilibre thermodynamique : DN(E) = 0 ; DF = 0

r(E) = 0

« émission stimulée + émission spontanée = absorption »

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e32

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission :

Semiconducteur faiblement excité : DN(E) ≠ 0 ; DF ~ 0

« semiconducteur absorbant »

interaction rayonnement semicond absorption mission spontan e mission stimul e33

Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée

Taux net d’émission :

(E > Eg >> kT)

Semiconducteur fortement excité : DN(E) ≠ 0 ; DF > 0

« semiconducteur émet un rayonnement d’énergie E »

interaction rayonnement semiconducteur5

Interaction rayonnement-semiconducteur

  • Photons et électrons
  • Interaction électron-photon ; transitions radiatives
  • Absorption ; Emission spontanée ; Emission stimulée
  • Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie
  • Création de porteurs en excès
  • Semiconducteurs pour l’optoélectronique
interaction rayonnement semicond recombinaison de porteurs en exc s dur e de vie

Interaction rayonnement-semicond.Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie

Recombinaison radiative de porteurs

émission de photons

Taux global d’émission de photons R

R = B n p + Rst

interaction rayonnement semicond recombinaison de porteurs en exc s dur e de vie1

Interaction rayonnement-semicond.Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie

Equilibre thermodynamique : n = no ; p = po

Ro = B no po + Rsto = 0

Excès de porteurs : n = no + Dn ; p = po + Dp

(faible inversion)

R = Ro + DR = B (no + Dn)(po + Dp) +Rsto + DRst

DR ~ B no Dp + B poDn

(taux de recombinaison radiative des porteurs)

interaction rayonnement semicond recombinaison de porteurs en exc s dur e de vie2

Interaction rayonnement-semicond.Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie

Excès de porteurs

DR ~ B no Dp + B poDn =

Durée de vie radiative :

interaction rayonnement semicond recombinaison de porteurs en exc s dur e de vie3

Interaction rayonnement-semicond.Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie

Exemple

Semiconducteur de type p :

Porteurs minoritaires électrons

Taux de recombinaison des porteurs minoritaires :

interaction rayonnement semicond recombinaison de porteurs en exc s dur e de vie4

Interaction rayonnement-semicond.Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie

Autres types de recombinaisons

Recombinaisons non radiatives de porteurs en volume

(recombinaison sur centre, émission de phonons…)

Durée de vie non radiative : tnr

DRtotal = DRrad. + DRn-rad.

interaction rayonnement semicond recombinaison de porteurs en exc s dur e de vie5

Interaction rayonnement-semicond.Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie

Autres types de recombinaisons

  • tnr >> tr t~ tr(matériau radiatif)
  • tnr << tr t~ tnr(matériau peu radiatif)

~ 1 si tnr >> tr

Rendement radiatif :

interaction rayonnement semicond recombinaison de porteurs en exc s dur e de vie6

Interaction rayonnement-semicond.Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie

Autres types de recombinaisons

Recombinaisons non radiatives de porteurs en surface

(recombinaison sur pièges de surface)

tsurf. < tvol.

[Dn]

Etats de surface (tsurf. < tvol)

Gradient de concentration diffusion

d

surface

interaction rayonnement semicond recombinaison de porteurs en exc s dur e de vie7

[Dn]

d

surface

Interaction rayonnement-semicond.Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie

Autres types de recombinaisons

Courant de diffusion J

Vitesse de recombinaison de surface

interaction rayonnement semiconducteur6

Interaction rayonnement-semiconducteur

  • Photons et électrons
  • Interaction électron-photon ; transitions radiatives
  • Absorption ; Emission spontanée ; Emission stimulée
  • Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie
  • Création de porteurs en excès
  • Semiconducteurs pour l’optoélectronique
interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Photoexcitation

Fo(E)

Ft(E, 0)

Ft(E, x)

Fr(E)

surface

Profondeur x

x

Fo(E) : flux de photons incidents (nombre de photons d’énergie E / S / t)

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s1

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Coefficient d’absorption

Photoexcitation

Fo(E)

Ft(E, 0)

Ft(E, x)

Fr(E)

surface

Profondeur x

x

Coefficient de réflexion

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s2

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Photoexcitation

Coefficient de réflexion : R(E)

Fo(E)

Ft(E, 0)

Fr(E)

surface

Profondeur x

Fo(E) = Fr(E) + Ft(E, 0) et Fr(E) = R(E) Fo(E)

Ft(E, 0) = (1 – R(E)) Fo(E)

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s3

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Photoexcitation

Coefficient de réflexion : R(E)

Ft(E, 0) = (1 – R(E)) Fo(E)

Pour E ~ Eg, R(E) constant mais R = f(q)

Fo(E)

Ft(E, 0)

q

Fr(E)

surface

Profondeur x

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s4

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Photoexcitation

Coefficient de réflexion : R(E)

R minimal en incidence normale (q = 0)

3 < n < 4

0,25 < Rmin. < 0,35

environ 30 % rayonnement incident est réfléchi

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s5

Fo(E)

Ft(E, 0)

Ft(E, x)

Fr(E)

surface

Profondeur x

x

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Photoexcitation

Coefficient d’absorption : a(E)

Si a(E ,x) = a(E)

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s6

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Photoexcitation

Fo(E)

Ft(E, 0)

Ft(E, x)

Fr(E)

surface

Profondeur x

x

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s7

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Photoexcitation

a(E) = 0 (SC intrinsèque et E < Eg)

Matériau transparent

a(E) ≠ 0

Absorption exponentielle de photons

1 photon absorbé création 1 paire électron-trou

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s8

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Photoexcitation

1 photon absorbé création 1 paire électron-trou

Taux de génération de paires éléctron-trou : g (E ,x)

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s9

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Photoexcitation

Taux de génération de paires éléctron-trou : g (E ,x)

Rayonnement polychromatique

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s10

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Eg

Photoexcitation

GaAs (300 K)

Casey et. al. J. Appl. Phys 46, 250 (1975)

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s11

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Eg

Photoexcitation

Approximation :

a~ 0 si E < Eg

a~ Cst si E > Eg

a~ 104 cm-1 si E > Eg

Recombinaison de

surface prépondérante

Pour x = 1/a = 1 µm, g(x) = g(0)/e

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s12

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Photoexcitation

Taux de génération de paires e--h+ : g (x)

pour E ≥ Eg

soit, avec

(densité totale de rayonnement d’énergie ≥ Eg)

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s13

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Injection électrique

Rappels

p

n

p

n

W

EC

EC

EC

diffusion

EF

EF

EF

EV

EV

EV

diffusion

Jonction p-n à l’équilibre

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s14

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Injection électrique

Rappels

p

n

VF

W

Injection de porteurs minoritaires

EC

diffusion

EFn

EFp

EV

Recombinaisons radiatives possibles

diffusion

Jonction p-n polarisée en direct

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s15

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Ln

Lp

Injection électrique

p

n

n, p

Rappels

VF

W

ppo

nno

pn

Zones de recombinaison

radiative

np

pno

Lp

npo

Ln

x

x’c

xp

xn

xc

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s16

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Ln

Lp

p

n

Injection électrique

n, p

VF

Rappels

W

ppo

nno

Ln(p) longueur de diffusion des e- (h+)

dans zone de type p (n)

pn

np

pno

Lp

npo

Ln

Coefficient de diffusion des e- (h+)

dans zone de type p (n)

x

x’c

xp

xn

xc

Durée de vie des e- (h+)

dans zone de type p (n)

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s17

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Ln

Lp

p

n

n, p

VF

W

ppo

nno

Injection électrique

pn

np

pno

Lp

npo

Ln

x

x’c

xp

xn

xc

interaction rayonnement semicond cr ation de porteurs en exc s18

Interaction rayonnement-semicond.Création de porteurs en excès

Autres processus de création

  • Avalanche dans jonction p-n polarisée en inverse
  • Effet tunnel dans diode tunnel ou jonction Schottky
  • Cathodoexcitation…
interaction rayonnement semiconducteur7

Interaction rayonnement-semiconducteur

  • Photons et électrons
  • Interaction électron-photon ; transitions radiatives
  • Absorption ; Emission spontanée ; Emission stimulée
  • Recombinaison de porteurs en excès ; durée de vie
  • Création de porteurs en excès
  • Semiconducteurs pour l’optoélectronique
interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Applications déterminent le choix du matériau

Exemples :

Dispositifs d’affichage sensibilité de l’œil

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique1

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Applications déterminent le choix du matériau

Exemples :

Convertisseur d’énergie spectre solaire

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique2

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Applications déterminent le choix du matériau

Exemples :

télécommunications transparence fibres optiques

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique3

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Applications déterminent le choix du matériau

Exemples :

Stockage de données lasers faible l(densité stockage ~l-2)

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique4

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Spectre de sensibilité de l’œil

Décalage vers le rouge

en éclairement atténué

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique5

(mW/cm2/µm)

200

Absorption (ozone, CO2, H2O)

100

AM0

AM1

l (µm)

0,2

0,6

1

1,4

1,8

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Spectre solaire

Emission corps noir à 6000 °C

Au dessus de l’atmosphère (AM0), intensité ~ 1,35 kW/m2 centré à l = 0,48 µm

Au sol en incidence normale (AM1), intensité ~ 0,9 kW/m2

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique6

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Spectre solaire

(mW/cm2/µm)

200

100

AM0

AM1

l (µm)

0,2

0,6

1

1,4

1,8

Air Mass = 1/cos a

AM1 incidence normale

AM4 horizon (a = 75°)

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique7

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Spectre de transparence des fibres optiques

Fibres optiques : guides de lumière

Transmission affectée par - atténuation

- dispersion

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique8

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Spectre de transparence des fibres optiques

Atténuation diffusion et absorption

Diffusion : variations d’indice optique (défauts de structure, composition)

Absorption : impuretés absorbantes (visible) vibrations réseau (IR)

P1

P2

L

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique9

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Atténuation

vibrations réseau

diffusion Rayleigh

aeff.~l-4

Atténuation ~ 0.2 dB/Km à 1.55 µm

Silice

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique10

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Dispersion : conséquences

Dispersion

Atténuation

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique11

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Dispersion : causes

Réflexion totale

Chemins optiques différents dispersion temporelle

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique12

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Dispersion : causes

125 µm

50 µm

50 µm

Mêmes chemins optiques

125 µm

10 µm

Source polychromatique, n = f(l) dispersion intrinsèque

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique13

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Dispersion intrinsèque (n = f(l))

A

Dl

l

L

Impulsion à transmettre

Paquet d’ondes :

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique14

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Dispersion intrinsèque (n = f(l))

5

3

Silice

1

l (µm)

0,8

1

1,2

1,4

1,6

Ex :

L = 1 Km ; LED GaAs (l = 8500 Å) ; Dl = 500 Å

Dt = 4x10-9 s

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique15

5

3

Silice

1

l (µm)

0,8

1

1,2

1,4

1,6

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Dispersion intrinsèque (n = f(l))

Dispersion intrinsèque s’annule pour certains l(1.3 µm < l < 1.8 µm)

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique16

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Dispersion intrinsèque s’annule pour certains l(1.3 µm < l < 1.8 µm)

Transmission favorable (silice) à 1.3 et 1.55 µm

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique18

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Stockage de données sur disque optique

Densité de stockage ~ l-2

Diodes laser IR (l =780 nm) 100 Mbit/cm2

Diodes bleues (GaN : l = 450 nm) 2 Gbit/cm2

Avantage / support magnétique : distance support / tête ~ 1 mm

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique19

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Autres données numériques : R

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique20

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Autres données numériques : a (103 cm-1)

interaction rayonnement semicond semiconducteurs pour l opto lectronique21

Interaction rayonnement-semicond.Semiconducteurs pour l’optoélectronique

Autres données numériques : l = f(E)