LE MONDE QUANTIQUE AU QUOTIDIEN: L’OPTO-ELECTRONIQUE

(1)

1/40

LE MONDE QUANTIQUE AU QUOTIDIEN:

L’OPTO-ELECTRONIQUE

« Laissez dire les sots ; le savoir a son prix » Jean de La Fontaine. Livre VIII L'Avantage de la science Emmanuel ROSENCHER

Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA) Département de Physique (École Polytechnique)

• Là où tout commence : l’effet photoélectrique

• Les briques de base

• La détection quantique

• Les émetteurs de lumière

• Les nouvelles frontières

De quoi va-t-on parler?

(2)

3/40

LA OU TOUT COMMENCE:

L’EFFET PHOTOELECTRIQUE

4/40

Rudolf-Heinrich Hertz, 1887

V 0

En 1887, Rudolf-Heinrich Hertz d écouvre l’effet photoélectrique

Philipp von Lenard, 1895

« Il semble y avoir un rapport entre l’énergie des électrons émis et la fréquence de la lumière excitatrice »

(3)

5/40

LE SPECTRE DU CORPS NOIR

Max Planck 14 Décembre 1900

La lumière arrive en paquets d’énergie quantifiée E = h f

h = 6.63 10

^-34

J.s

1 10

1 10 100 1000 10000

Hertz

1000K

3¹⁴ 3¹³

300 K Emissivité (W/m2 /µm)

Longueur d'onde (µm)

Et Dieu cr éa Albert Einstein …

W=

potentiel qui retient les électrons dans le métal

h f

Énergie des électrons

métal vide

h f’

∆

^E

(4)

7/40

Millikan passe 12 ans de sa vie à vouloir démontrer que Einstein à tort…

Millikan

1925

h = 6.63 10

^-34

J.s !!!!!

C’est celui qui dit qui est !

La Physique Quantique vient de naître ….

∆

^E

8/40

µm µm

onde d

longueur ' ( )=_energie¹^,_du²⁴_photon⁽^eV⁾ ₍_eV₎

0,01 0,1 1 10 100 Énergie (eV)

300 K

100 µm 10 µm

1 µm 100 nm

10 nm Longueur d’onde

infrarouge UV

X

Pile électrique

(5)

9/40

La cellule photoélectrique: le premier composant quantique …

LEE De FOREST

La première caméra de télévision

QUELQUES BRIQUES DE BASE:

Les semiconducteurs La diode

Le puits quantique

(6)

11/40

Louis de Broglie découvre que

les électrons se comportent comme des ondes

1925

λ

2 2

1 m 2 E h

= λ

Relation entre la longueur d’onde et l’énergie d’un électron

Énergie des électrons

12/40

Bande d’énergies interdites

1930

Wigner, Seitz, Bloch décrivent la structure de bandes des solides

énergie

(7)

13/40

Un état vide dans la bande de valence est un trou

Le trou se déplace dans la direction opposée à celle de l’électron:

C’est une quasi-particule de charge positive Bande

d’énergies interdites

Bande de valence Bande

de conduction énergie

=

Wolfgang Pauli

(8)

15/40

La transition optique interbande

Absorption de photons

Émission de photons Bande de

valence Bande de conduction

16/40

Gaps et couleurs

Infrarouge proche

Visible UV

Infrarouge lointain

(9)

17/40

Le dopage, la zone de charge d’espace et la jonction p/n

B^- Si Si

Si

Si Si

Si δ+

Dopage p P⁺ Si Si

Si

Si Si

Si

Dopage n

Champ électrique

Si P C B

IV V III

Mendeleev

Le puits quantique (1)

TECHNOLOGIES DE L’ULTRA-VIDE

1970-1980

(10)

19/40

Le puits quantique (2)

1 2

AlGaAs GaAs AlGaAs

vidéo

20/40

LA DETECTION QUANTIQUE:

L’effet photovoltaïque Les détecteurs infrarouge Les caméras CCD

Les cellules solaires

(11)

21/40

transition inter-sousbande BC

PHOTO-DETECTION QUANTIQUE

photoémission interne transition interbande

BV BC

n p⁺⁺

EFFET PHOTOVOLTAIQUE

(12)

23/40

Exemple 1: MATRICE CCD

Paquet d’électrons photocréés

Vg

Métal Oxide Silicium

Taille typique actuelle: 6 µm x 6 µm Nombre typique de pixel: 10 000 000 Taille de matrice: 1 cm²

24/40

Pourquoi les bandes 3-5 µm et 8-12 µm sont elles si importantes ?

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

Transmission

12 10

8 6

4 2

Longueur d'onde (µm) CO, CO₂, NO,

N₂O, SO₂, O₃, CH₄

TNT, H₂O, Sarin, …

Exemple 2: les détecteurs infrarouge Hg

_x

Cd

_1-x

Te

(13)

25/40

Exemple 2: les détecteurs infrarouge Hg

_x

Cd

_1-x

Te

3 – 5 µm soit 0.25 - 0.40 eV

8 – 12 µm soit 0.10 - 0.15 eV

Imagerie thermique infrarouge

Image d ’un avion furtif en infrarouge

(14)

27/40

Exemple 3: Cellule solaire en silicium

Ensoleillement maximal : 1000 W/m² Rendement quantique : 15 %

0 1 2 3 4 5

eV 0

1´10⁷ 2´10⁷ 3´10⁷ 4´10⁷

W

•

^{m^2.µm}

Spectre solaire

Rendement de conversion dans Si

Courant maximal : 150 W/m²

28/40

LES EMETTEURS DE LUMIERE:

Diodes électroluminescentes

Diodes lasers

(15)

29/40

LA DIODE ELECTROLUMINESCENTE (LED)

n

p⁺⁺

AlGaAs N

AlGaAs GaAs P

LED : 1 électron → 1 photon soit 1 Amp → 1 Watt Ampoule : 1 Amp → 0,1 Watt Émission spontanée

CARACTERISTIQUES DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES

Énergie des photons

Puissance émise

GAP

• Commandes à distance

Caractéristiques Applications

Ampoule

(16)

31/40

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

1 2 3 4 5 6 7

ZnTe CdSe InP AlAs

GaAs InN

ZnSe

Si GaP

AlP ZnS GaN ZnO

AlN C

BN

Bande interdite à 0 K (eV)

Maille du cristal (Ang.) UV

COULEURS DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES

32/40

LES AVENTURES DE LA DIODE BLEUE

MORALE DE CETTE HISTOIRE ????

Apr ès la d écouverte de Nakamura

1974 : Découverte de l’électroluminescence de GaN dans le bleu 1974- 1984 : Recherche de dopants p de GaN

1980 : Article théorique « on the impossibility to p-dope wide band gap materials » 1984-1993 : Fin des recherches sur GaN

Nakamura

1984-1993 : 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

Avant la dé couverte de Nakamura

(17)

33/40

Amplification optique

L’EMISSION STIMULEE

Absorption Émission spontanée

Émission stimulée

Albert Einstein 1917

Miroir Miroir

Amplificateur optique

L’OSCILLATION LASER

Intensité de l’onde

(18)

35/40

LE LASER A SEMICONDUCTEUR

n

p

John von Neuman 1952 AlGaAs

P

AlGaAs GaAs N

General electric 1968

36/40

LES CARACTERISTIQUES DU LASER A SEMICONDUCTEUR

Énergie des photons

• Spectre émis très pur

• Faisceau très fin

• Fréquence de modulation élevé (> 30 GHz)

•Technologie non planaire → coût élevé

•Télécommunications

• Lecteurs de disques CD

• Pointeurs laser

•

Caractéristiques Applications

Puissance émise

λ

≈

laser

LED

(19)

37/40

5.0 5.5 6.0 6.5

0 1 2 3 4 5 6 7

InAs InP

AlAs

GaAs InN Si

GaP GaN AlP

AlN

Bande interdite à 0 K (eV)

Maille du cristal (Ang.)

Gammes des diodes lasers

GaP/AlGaP Rouge Pointeurs

GaAs/AlGaAs 0.8 – 1 µm Lecteur CD

InP/InGaAs 1.4 – 1.6 µm

Télécom.

GaN/AlGaN Bleu-UV CD, DVD

Exemple d’applications: le lecteur de disque compact CD et DVD

(20)

39/40

Exemple d’applications: les télécommunications optiques

Encyclopedia Universalis

≈

1 000 GigaBit en 1/10 s sur 3000 km

4 µm !!!

Seule le laser permet de faire entrer la lumière dans un guide d’onde

40/40

LES FRONTIERES:

Les nouvelles longueurs d’onde Les atto-secondes

Les oscillateurs paramétriques optiques Les cristaux photoniques

La nano-optique

….

(21)

41/40

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

HF VHF UHF P L S C X Ku K KaW THz LWIR SWIRNIR UV

Radio et hyperfréquences Optique

4 eV

40 neV 0.4 µeV 4 µeV 40 µeV 0.4 meV 4 meV 40 meV 0.4 eV

Une terra incognita: les térahertz

Vue téraHertz d’un porteur de couteau (Jepherson Lab)

Peau, tissu

Intensité

distance

≈ λ ≈ 1 mm

Les atto-secondes (0,000000000000000001 s)

durée (seconde)

1960 1970 1980 1990 2000

10^–6

10^–9

10^–12

10^–15

Année Electronique

Optoélectronique