Composants optoélectroniques

1. Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg

2. Plan du cours • 1 Introduction • Interaction rayonnement-semiconducteur • Photodétecteurs • Emetteurs de rayonnement à semiconducteur

3. Plan du cours • 1Introduction • Interaction rayonnement-semiconducteur • Photodétecteurs • Emetteurs de rayonnement à semiconducteur

4. IntroductionProblématique Composants optoélectroniques Lumière (rayonnement) Matériau semiconducteur Interaction rayonnement / matériau semiconducteur

5. IntroductionProblématique Composants optoélectroniques • Dispositifs détecteurs de lumière • cellule photovoltaïque • Dispositifs émetteurs de lumière • diode électroluminescente

6. Plan du cours • 1 Introduction • Interaction rayonnement-semiconducteur • Photodétecteurs • Emetteurs de rayonnement à semiconducteur

7. Plan du cours • 1 Introduction • Interaction rayonnement-semiconducteur • Photodétecteurs • Emetteurs de rayonnement à semiconducteur

8. Interaction rayonnement-semiconducteur Photon B C B V Semiconducteur

9. 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

10. 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

11. lumière - onde - corpuscule Onde : ( ) Equations de Maxwell (milieu non magnétique, isotrope, non chargé) Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons

12. lumière onde Onde : ( ) Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons

13. Lumière onde : célérité de la lumière Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons v : vitesse de phase n : indice de réfraction

14. Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons Interaction avec échange d’énergie Lumière - corpuscule (photon) - onde

15. Photon Energie E = hn Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons E vide : pente hc SC : pente k

16. Photon Energie E = hn = hc/l Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons

17. Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons Electron dans le vide Dualité onde-corpuscule

18. Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons Electron dans le vide E courbure k

19. 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

20. E 0 k Interaction rayonnement-semicond.Photons et électrons Electron dans semiconduteur courbure BC EC Eg EV BV direct

21. 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

22. 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

23. Interaction rayonnement-semicond.Interaction photon-électron ; transitions radiatives Choc élastique photon-électron Conservation énergie et quantité de mouvement Ep = hnif = ± (Ef - Ei)

24. 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

25. 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

26. Interaction rayonnement-semicond.Interaction photon-électron ; transitions radiatives Choc élastique photon-électron Transitions radiatives « verticales » Dans l’espace des k

27. 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

28. Interaction rayonnement-semicond.Interaction photon-électron ; transitions radiatives Absorption verticale dans SC indirect BC thermalisation absorption BV

29. 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

30. 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

31. E BC EC Eg EF EV BV Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée Rappels Semiconducteur intrinsèque à l’équilibre Agitation thermique

32. 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)

33. 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)

34. 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)

35. Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée Rappels Semiconducteur extrinsèque à l’équilibre électron de conduction Semiconducteur de type n

36. E BC EC ED Eg EV BV Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée Rappels Semiconducteur extrinsèque à l’équilibre Impuretés

37. 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

38. 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)

39. Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée Rappels Semiconducteur à l’équilibre no et po ne dépendent que de EF

40. Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée Semiconducteur hors équilibre Excitation externe Semiconducteur n ≠ no ; p ≠ po EF plus défini

41. 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

42. 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

43. 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

44. 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)

45. 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

46. 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)

47. 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

48. 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’’))

49. 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))

50. Interaction rayonnement-semicond.Absorption ; émission spontanée ; émission stimulée Taux d’émission spontanée : rsp(E) BC E’ E = hn E’’ BV