Figure 4.1 : Transitions interbandes dans un semiconducteur à gap direct

1. Figure 4.1 : Transitions interbandes dans un semiconducteur à gap direct a- Absorption d’un photon: génération d’une paire e-t - taux d’absorption: ra (n) - processus à la base des photodétecteurs b- Recombinaison d’une paire e-t: processus d’émission spontanée: - taux d’émission spontanée: rsp (n) - processus à la base des DEL c- Recombinaison par émission stimulée: - taux d’émission stimulée: rst (n) - processus à la base des lasers

2. Figure 4.2 : Gain ou absorption Amplification dans un milieu: Dans la tranche dx, il y a compétition entre l’absorption et l’émission stimulée. Si celle –ci est prédominante, le milieu est amplificateur: I(x)=I0 exp(g x) avec g = gain > 0

3. Figure 4.2bis : Coefficient d’absorption de quelques semiconducteurs • Coefficient d’absorption a(n) en fonction de l’énergie pour Ge, Si, GaAs et d’autres SC • III-V, à T=300K. • Comparer a(n) pour les SC à gap direct et les SC à gap indirect.

4. Figure 4.3 : « Inversion de population » Évolution de l’absorption et du gain en fonction de la position des quasi niveaux de Fermi. Les courbes en gris correspondent à la situation proche de l’équilibre thermodynamique: tous les photons d’énergie supérieure au gap sont absorbés. Par contre, lorsque l’écart entre les deux quasi niveaux de Fermi est supérieur au gap, il y amplification quand les photons ont une énergie comprise entre Eg et Efc- Efv (condition de Bernard-Durrafourg).

5. Figure 4.4 : Quasi niveaux de Fermi dans une jonction pn a- Diagramme énergétique d’une jonction pn très dopée à l’équilibre thermodynamique. Les électrons (région n) et les trous (région p) sont dégénérés (distribution de Fermi): Ef dans la bande de conduction (n) et Ef dans la bande de valence (p). b- Diagramme énergétique de la jonction polarisée en direct. La tension appliquée V est de l’ordre de la tension de diffusion: Efc est au niveau de la bande de conduction de la région (p).

6. Figure 4.4bis .Semiconducteur en quasi équilibre • Semiconducteur dégénéré en quasi équilibre: chacune des populations, électrons d’une part, trous de l’autre, a subi des processus de thermalisation: • Les électrons dans la B.C. sont en équilibre entre eux: • Fonction de Fermi pour les électrons fc(E) • Quasi niveau Efc= Ec + ħ2/2mc (3 p2n)2/3 • Les trous dans la B.V. sont en équilibre entre eux: • Fonction de Fermi pour les trous fv(E) • Quasi niveau Efv= Ev - ħ2/2mv (3 p2p)2/3

7. Figure 4.5 : Gain et seuil de transparence a- Courbe représentant le gain g0(n) en fonction de l’énergie des photons hn, calculé pour un amplificateur laser InGaAsP pour différentes valeurs de Dn. Le seuil de transparence (g0 =0) diminue quand Dn augmente par suite de la réduction du gap quand le dopage augmente. b- Gain maximum en fonction de Dn.

8. Figure 4.6 : Laser à semiconducteur a- Diode laser p-n b- Diagramme d’énergie et répartition spatiale des porteurs à travers la jonction p-n. c- Cavité laser: condition de seuil. d- Schéma de la courbe gain-courant pour un laser à densité d’états électroniques tridimensionnelle.

9. Figure 4.7 : Deux types de lasers SC Diode laser : les miroirs de la cavité sont les faces clivées et le faisceau de sortie est latéral. Laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL): les miroirs sont des miroirs de Bragg et le faisceau de sortie est vertical.

10. Figure 4.8 • Double hétérostructure: • Confinement des porteurs: barrières de potentiel n-GaAlAs et p-GaAlAs; couche active: GaAs (de l’ordre de 0,1 mm: réduction de jT). • Confinement optique: indice de GaAs > indice des barrières, donc la structure se comporte comme un guide (g de l’ordre de 1).