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Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques1 Cours composants optoélectroniques Philippe Lorenzini Polytech Nice Sophia Elec 4 Références:

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1 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques1 Cours composants optoélectroniques Philippe Lorenzini Polytech Nice Sophia Elec 4 Références: H.Mathieu Physique des SC et Composants électroniques, Dunod, 2002 F. Schubert, Light emitting diodes, « » J. Singh, optoelectronics devices, McGrawHill, 1996 D.A. Neamen, « semiconductors physics and devices », McGrawHill, 3° Ed, 2003 Références: H.Mathieu Physique des SC et Composants électroniques, Dunod, 2002 F. Schubert, Light emitting diodes, « » J. Singh, optoelectronics devices, McGrawHill, 1996 D.A. Neamen, « semiconductors physics and devices », McGrawHill, 3° Ed, 2003

2 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques2 Composants optoélectroniques Interaction Rayonnement – SC –Photons, électrons –Interaction électron – Photons –Absorption –Émission Photo-détecteurs LEDs Lasers

3 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques3 Rayonnement électromagnétique Equations de Maxwell: pulsation k vecteur donde

4 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques4 Rayonnement électromagnétique Aspect ondulatoireAspect ondulatoire: –Onde –Vitesse de londe –Vitesse de groupe Aspect corpusculaireAspect corpusculaire: –« grains » de lumière photonphoton –Énergie –Qté de mouvement –Relation de dispersion n : indice (vide n =1)

5 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques5 Électrons : dualité onde - corpuscule Aspect ondulatoire: Relation de de Broglie Aspect corpusculaire: –Dans le vide –Dans un cristal

6 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques6

7 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques7

8 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques8 Interaction électrons - photons 3 processus: –Absorption –Émission spontanée –Émission stimulée (dans les lasers)

9 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques9 Règles de sélection Conservation de lénergie et de la qté de mouvement: –Absorption – –Émission k électron E e-

10 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques10 Règles de sélection Conservation de lénergie et de la qté de mouvement: k électron k photon E e- E ph Conservation de lénergie: Si absorption, E ph > E g Conservation de p: Ordre de grandeur de k

11 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques11 Compte tenu du faible k photon les transitions optiques ne peuvent se faire que verticalement en k Intérêt à adapter E g à lénergie du photon à détecter

12 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques12 Différents processus de transition inter-bandes

13 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques13 Recombinaison radiatives et non radiatives

14 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques14 Absorption, émission spontanée et stimulée Pseudo niveau de Fermi Taux net démission de photon Recombinaison: durées de vie Vitesse de recombinaison en surface Génération de porteurs en excès

15 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques équilibre Hors équilibre EFEF « envoi » des électrons et des trous dans les bandes « nimporte comment »! retour équilibre + Recomb e - h

16 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques16 2 grandeurs régissent les états: Temps entre 2 chocs: temps de relaxation : lors dun choc lélectron perd de lénergie ( à s) Durée de vie des électrons dans une bande (10 -9 à10 -3 s) Si les porteurs « ont le temps » de se thermaliser en bas de bande puis se recombiner. Du fait de la différence entre ces deux temps il existe un état de pseudo-équilibre pour les e - et les h +

17 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques17 Retour à léquilibre équilibre Hors équilibre EFEF E Fn E Fp On coupe lexcitation

18 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques18 Taux net démission de photon -1 Cest le nombre de photon dénergie E émis par unité de temps et de volume nb ph émis de manière spontanée par s et cm 3 nb photon dans le matériau r spont est indépendant de la présence de photon dans le matériau r spont est indépendant de la présence de photon dans le matériau

19 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques19 Taux net démission de photon -2 r st : taux démission stimulée (Bilan énergétique de ce qui est stimulé de haut en bas et de bas en haut) r st (E)>0 émission de photon (ampli de lum) r st (E)<0 absorbe un rayonnement de photon r st (E)>0 émission de photon (ampli de lum) r st (E)<0 absorbe un rayonnement de photon

20 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques20 Taux net démission de photon -3 Soit un système à 2 niveaux E i et E j E i, g i E j, g j E = E i - E j Proba. pour que cette recombinaison soit radiative nb de - ds létat i

21 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques21 Taux net démission de photon -4 Dans le cas dun SC, il y a un pseudo continuum détats E E E=E-E : proba pour la transition de E à E soit radiative Émission dun photon dénergie E

22 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques22 Taux net démission de photon -5 Rq: on peut montrer que dans les matériaux dopés, B est constant au voisinage des extrema de bandes Semi-conducteurNature du GapB (cm -3 s -1 ) Siindirect Geindirect GaPindirect GaAsdirect GaSbdirect InPdirect InAsdirect InSbdirect B (SC gap direct) >> B (SC gap indirect)

23 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques23 Taux net démission de photon -6 Émission spontanée: Émission stimulée: Lémission stimulée existe si r st (E) > 0 La condition damplification implique : E fc E fv EgEg SC dégénéré n et p ou plutôt Inversion de population h

24 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques24 Taux net démission de photon -7 Si on écrit le nb de photons dans le matériau: Alors Taux net démission

25 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques25 Taux net démission de photon -8 À léquilibre thermodynamique : Sous faible excitation dun rayonnement(E>Eg): Forte excitation (E>Eg et Eg>>kT/e): Le semi-conducteur absorbe le rayonnement Le semi-conducteur émet un rayonnement dénergie E

26 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques26 Recombinaison des porteurs en excès – durée de vie Comment se recombinent les porteurs et à quelle « vitesse » ?

27 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques27 Recombinaison des porteurs en excès – durée de vie En dautres termes, 2 « chemins » possibles pour la recombinaison: - radiatif - non radiatif

28 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques28 Recombinaison des porteurs en excès – durée de vie Taux global démission de photon R taux de recombinaisons radiatives et nconcentration en électrons libres n 0 concentration déquilibre en électrons libres n, p concentration en excès de - et h + Rtaux de recombinaisons par cm 3 par s Bcoefficient ambipolaire de recombinaison

29 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques29 Recombinaison des porteurs en excès – durée de vie En régime de faible injection ( n et p petit / régime dinversion, R st est négligeable et R sécrit en négligeant le terme du 2° ordre : avec Taux de recombinaisons radiatives des porteurs

30 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques30 Recombinaison des porteurs en excès – durée de vie Dans la mesure ou n = p (création de paires électron – trou): Dans un semi-conducteur dopé, la durée de vie radiative est celle des porteurs minoritaires (SC n: ) Dans la mesure ou n = p (création de paires électron – trou): Dans un semi-conducteur dopé, la durée de vie radiative est celle des porteurs minoritaires (SC n: )

31 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques31 Recombinaison des porteurs en excès – durée de vie non radiative « chemin non radiatif »: –Centres de recombinaison –Émission phonon ou effet Auger On attribue à ce type de recombinaisons, une durée de vie non radiative:

32 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques32 Recombinaison des porteurs en excès Les processus sont additifs. La durée de vie globale est donnée par: On définit le rendement radiatif par:

33 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques33 Évolution temporelle de la densité de porteurs Faible injection !!

34 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques34 Vitesse de recombinaison en surface À la surface, états énergétiques spécifiques: –Rupture de la périodicité du cristal –Adsorption datomes étrangers Présences détats de surfaces centres de recombinaisons supplémentaires À la surface, la densité de porteurs est plus faible que dans le volume.

35 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques35 Vitesse de recombinaison en surface Recombinaisons non radiatives !!

36 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques36 Vitesse de recombinaison en surface GaAs S = 10 6 cm/s InP S = 10 3 cm/s Si S = 10 1 cm/s

37 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques37 Vitesse de recombinaison en surface

38 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques38 Création de photo-porteurs en excès Plusieurs moyens pour la création: –Photo - excitation avec E>Eg –Injection électrique –Effet avalanche ou tunnel

39 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques39 Photo - excitation Les caractéristiques du rayonnement sont: –Longueur donde ou son énergie E=h –Lintensité I –La puissance P en watts r T P(W)= 0 (E). h Puissance nb de photons qui arrive /s et/cm 3 Énergie des photons

40 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques40 Photo - excitation Soit R(E) le coefficient de réflexion ou pouvoir réflecteur: Si E=h >Eg, il y a absorption on définit le coefficient dabsorption

41 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques41 Photo - excitation Taux de génération délectrons g(E,x): –Si on « perd » d photons, on « gagne » d électrons (rendement quantique =1) – la variation du nombre de photons par unité de volume est : –On écrit alors:

42 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques42 Photo - excitation Le taux de génération global g(x) (si pas monochromatique) est alors donné par: Pour le calculer: – R(E) ? Au voisinage du gap – 0 (E) ? – (E) ? On peut lapproximer par 1 échelon = 0 si E < Eg cm -1 si E > Eg

43 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques43 Coefficient dabsorption Dans le cas de transitions verticales, la relation liant lénergie du photon (>Eg) et le vecteur donde est: EvEv EcEc E Fn E Fp EgEg EhEh EeEe k=0 k

44 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques44 Coefficient dabsorption Pour une lumière non polarisée dans un SC, le coefficient sécrit: La densité détats jointes:

45 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques45 Taux démission (expressions) Lorsque un électron et un trou se trouvent «vertical en k », il peuvent se recombiner : –Spontanément: –De façon stimulée:

46 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques46 Gain du matériau Cest la différence entre le coefficient démission et le coefficient dabsorption : EvEv EcEc E Fn E Fp EgEg EhEh EeEe k=0 k

47 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques47 Gain du matériau Si f e (E e ) = 0 et f h (E h ) =0 Pour que le gain soit >0 (inversion de population) Et alors

48 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques48 recombinaisons On a défini précédemment R spon ( coef de recombinaisons) : regardons plus en détails en fonction de la population électronique

49 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques49 recombinaisons Considérons la recombinaison de trous: –Injection de porteurs minoritaires (n>>p et fortement dopé n) ~1

50 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques50 recombinaisons Considérons la recombinaison de trous: –Forte injection (important dans le cas d1 densité delec. et de trous injectée élevée)

51 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques51 recombinaisons –Considérons la recombinaison de trous: –faible injection (on utilise Boltzmann) Si n= p alors on peut définir un taux de recombinaison de porteurs en excès unique n r EvEv EcEc E Fn E Fp EgEg EhEh EeEe k=0 k Pourquoi ?

52 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques52 recombinaisons Considérons la recombinaison de trous: –Inversion (transparence) (important dans le cas des lasers) Supposons Utile pour estimer le courant de seuil dun laser

53 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques53 0 f e =f h =1 Densité usuelles pour le fonctionnement du laser Régime de Faible injection Durée de vie radiative r (s) cm -3 Nd ( pour les trous injectés dans un SC n) n=p (pour paires e-h injectées dans une région)

54 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques54 Photo - excitation x g(x) Importance de la vitesse de recombinaison en surface cm -1 Ex: 10W/cm 2, =0.75 µm, = cm -1 pour GaAs. G?

55 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques55 Injection électrique Polarisation dune jonction pn en direct. Le système est hors équilibre. Le retour à léquilibre saccompagne de recombinaisons, qui si elles sont radiatives, émission de photons.

56 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques56 Homo-jonction à semi-conducteur

57 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques57 Homo-jonction à semi-conducteur

58 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques58 Courant dans une Jonction pn

59 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques59 I(V) fonction du matériau

60 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques60 Tension pour I=20 mA (figure de mérite)

61 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques61 Les photo-détecteurs

62 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques62 Les photo-détecteurs RôleRôle : convertir un signal lumineux en signal électrique Propriétés attenduesPropriétés attendues: –Grande sensibilité –Linéarité (surtout si signal analogique) –Large bande passante électrique –Fiabilité –Faible coût –Facilité de mise en œuvre –Encombrement

63 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques63 Les photo-détecteurs Solution dans le visible et proche IR:Solution dans le visible et proche IR: –Jonction pn montée dans un boîtier comportant une fenêtre transparente au rayonnement. Deux montages possibles:Deux montages possibles: –Jonction non polarisée montage photovoltaïque. Il est utilisé pour la conversion de lénergie solaire en électricité. –Jonction polarisée en inverse montage photoconducteur. Il est utilisé pour la détection de la lumière : photodiode PIN, ADP, phototransistors

64 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques64 Les photo-détecteurs mode photocourant mode photovoltage

65 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques65 Les photo-détecteurs Matériaux pour les détecteurs optiques –Disponibilité du substrat Si, GaAs, Ge et InP SC avec maille « adaptée » à ces substrats –Application communications longues distances Adaptés aux fibres optiques (1.55µm et 1.3 µm) GaAs interdit (0.8 µm) InGaAs, InGaAsP, GaAlSb, HgCdTe, GaInNAs … In 0.53 Ga 0.47 As le plus utilisé Ge comme photo-détecteur à avalanche

66 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques66 Les photo-détecteurs –LANs (qq kilomètres) GaAs émetteurs (0.8µm) mais pas chers ! Si comme photo-détecteurs (photodiodes à avalanche) –Détection « infrarouge » >20 µm HgCdTe, PbTe, PbSe, InSb Détecteurs inter sous-bandes GaAs/AlGaAs –Détecteurs rapides GaAs « low temperature » 1 ps

67 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques67 Distribution des photo-porteurs Dans le cas des électrons: flux qui pénètre le matériau

68 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques68 Distribution des photo-porteurs 2 composantes pour le champ électrique –Champ interne E i –Champ externe appliqué E a V L h

69 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques69 Distribution des photo-porteurs À cause des mobilité différentes, champ interne E i n(x,t) p(x,t). En fait en s, la neutralité est rétablie, n(x,t) p(x,t). ensembleLes électrons et les trous diffusent ensemble Cest la diffusion ambipolaire EiEi

70 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques70 Distribution des photo-porteurs épaismincequelconque

71 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques71 Cellule photoconductrice VsVs d Z L

72 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques72 Cellule photoconductrice Conductance à lobscurité: Conductance sous éclairement: Soit une variation de la conductance: avec

73 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques73 Cellule photoconductrice Si on applique une tension courant: Le photo-courant:

74 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques74 Cellule photoconductrice En se rappelant que est la vitesse des porteurs, on peut définir un temps de transit: Le photo-courant sécrit alors:

75 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques75 Cellule photoconductrice Le photo-courant « primaire » généré par léclairement est: Le gain de la cellule est donné par: surfacenb photons/s/cm 3 Cest la rapport entre le taux de collecte des charges par les contacts au taux de génération de ces charges

76 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques76 Cellule photoconductrice Cest quoi le gain ? –Si >1, les électrons peuvent parcourir plusieurs fois le circuit avant de se recombiner avec un trou. Ex: L=100µm, V=10V, p =1µs Comment améliorer le gain de la cellule? –Durée de vie élevée –Temps de transit faible (petit L et/ou fort champ E) Inconvénient: –Fort courant dobscurité bruit Utilisation de diode en inverse

77 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques77 Principe de la photodiode p-n

78 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques78 Principe de la photodiode p-n Seuil de détection: E=h >Eg 1 et 3 : photo-courant de diffusion 2 : photo-courant de génération

79 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques79 Photodiode sous éclairement

80 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques80 Calcul du courant Courant de saturation, existe même à lobscurité! Photocourant dans les régions de diffusion

81 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques81 Calcul du photo-courant Région p : Région n : Et la ZCE ? Hyp: G L = cte

82 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques82 Photodiode p-n Le photo-courant est donc généré dans la ZCE et dans les régions neutres sur la longueur de diffusion L n et L p, soit finalement sur W+L n +L p. Rem: G L net pas constant ! On doit prendre une valeur moyenne en toute rigueur

83 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques83 Photodiode p-n en inverse

84 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques84 Photodiode p-n Constante de temps: –Courant de diffusion : lent à s –Courant de génération : rapide t tr =W/v s ( à s) Donc il « faut »: –Absorption uniquement dans la ZCE –Zone frontale très mince –W large mais pas trop sinon t tr trop grand (W=1/ )

85 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques85 Photodiode p-n Rendement quantique (quantum efficiency): –Fonction du coefficient dabsorption –Fonction de la longueur donde ( f h

86 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques86 Photodiode p-n Sensibilité (responsivity): longueur donde (µm) sensibilité

87 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques87 Photodiode PIN But : améliorer la sensibilité pour les grandes g et la vitesse. Comment ? Augmenter la zone de collecte des photons ( g grand ray. pénétrant) On intercale une région intrinsèque entre p et n +. Si polarisation suffisante, ZCE envahit la région intrinsèque vitesse augmente

88 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques88 Photodiode PIN

89 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques89 Photodiode PIN Choix du matériau dépend de lapplication: –Communication (émetteur GaAs/AlGaAs) Détecteur Si (vitesse non critique) Détecteur Ge ( g > 10µm) 1.55µm + vitesse détecteurs InGaAs –Vision nocturne: HgCdTe InAs, InSb –« solar blind » + UV: GaN, AlGaN

90 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques90 Photodiode PIN « design » de la structure: –Réflexion sur surface (perte :2 – 3%) –Maximiser labsorption dans ZCE (*) Attention à la vitesse –Miroir métallique –Minimiser les recombinaisons Matériau de haute pureté –Minimiser le temps de transit ZCE la plus petite possible (voir *)

91 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques91 Rendement dune photodiode PIN Taux de génération dans le SC: Jph(0 (0) Flux de photons (nombre par cm 2 et par seconde) Photocourant rendement

92 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques92 Photodiode pin Linéarité de la réponse : meilleure que 1% sur 7 ordres de grandeur Capacité de la jonction: limite la vitesse –C diminue si tension inverse augmente –C augmente si surface sensible augmente Courant dobscurité:limite la détection –Élevé pour détection IR –Fonction de la température (*2 si T=10°C pour Si) Tension de claquage –Tension max supportable par le composant

93 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques93 Photodétecteur à avalanche (APD) Dans une p-i-n, le gain est au plus unitaire Dans APD, on peut aller à quelques centaines Comment? –Utilisation du phénomène davalanche dans les jonctions pn –Condition: avoir des électrons « chauds » –Très utilisés dans les applications télécoms –Inconvénients: « bruiteux » (processus aléatoires), sensible à la température

94 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques94 Photodétecteur à avalanche (APD) « design » – ZCE qui permette dabsorber la lumière –qq µm (gap direct) à qq 100 µm pour SC à gap indirect –La zone dabsorption et la zone davalanche distincte APD « reach through » (Ge, Si)

95 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques95 Photo-détecteur à avalanche (APD) APD à hétéro-jonction –Meilleures performances –Gap direct région dabsorption et davalanche fines Facteur de multiplication: Substrat n + InP Contact arrière Contact avant InP n - InGaAs n + InGaAs p - photons R: résistance équivalente (série + effet Thermique + …) n : paramètre dajustement (dépend du design) V: tension appliquée V B : tension de claquage

96 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques96 Cellule solaire Application importante des pn : convertir lénergie solaire en énergie électrique 2 modes: –Mode photoconductif –Mode photovoltaïque

97 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques97 Cellule solaire Courant débitée par la diode (courant inverse compté positif) Deux paramètres : la tension de circuit ouvert Le courant de court circuit

98 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques98 Cellule solaire Puissance débitée: Puissance maximum permet de déterminer la résistance de charge R c Droite de charge 1/R c

99 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques99 Cellule solaire Influence de la résistance série

100 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques100 Cellule solaire Rendement de conversion Fill factor: 6.2 eV 0.5 eV

101 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques101 Coefficient dabsorption

102 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques102 Cellule solaire à base de silicium amorphe et polycristallin Poly cristallin: –Le plus courant –Rendement de lordre de 13% –Rendement faible sous faible éclairement Amorphe (a-Si) –CVD Technique (600°C) –Surface importante, enroulable –Règles de sélection verticales en k disparaissent –Meilleur coefficient dabsorption –Pas cher ! –Rendement faible (6%) –vieillissement

103 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques103 Cellule solaire

104 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques104

105 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques %

106 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques106 Diodes électroluminescente LED ou DEL

107 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques107

108 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques108 Choix du matériau : dépend de lapplication

109 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques109 LED Rapport taux dinjection: 1.Région la plus radiative: type p 2.Région p : 2 à 3 L n (h sort !) 3.Modification du gap (fort dopage)

110 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques110 Recombinaisons dans la région p

111 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques111 Utilisation dhétéro-jonction

112 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques112 Améliore le confinement dans la région active Inconvénient: résistance plus grande On fait des hétéro- structures graduelles Utilisation dhétéro-jonction

113 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques113 Carrier loss in double heterostructures

114 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques114 Carrier overflow in double heterostructures

115 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques115

116 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques116 Utilisation dhétéro-jonction Couches de confinement (« blocking layers »)

117 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques117 Conversion tension - lumière

118 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques118 Lénergie dun électron injecté est convertie en énergie optique: Existence dune résistance série Perte dénergie par émission dun phonon V = h / e E g / e

119 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques119 I R s resistive loss E C – E 0 electron energy loss upon injection into quantum well E V – E 0 hole energy loss upon injection into quantum well

120 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques120 Leds et rendements « rendement à la prise » « wallplug efficiency » rendement optique

121 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques121 Spectre démission (1)

122 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques122 Spectre démission (2) Maximum de lintensité démission

123 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques123 Spectre démission (3)

124 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques124 Spectre démission (4) Largeur de spectre relativement étroit comparé au spectre visible Pour lœil humain led monochromatique

125 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques125 Leds : extraction de la lumière

126 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques126 Cône de sortie de la lumière Une fraction des photons réfléchie à linterface semi-conducteur – air. Si langle dincidence proche de la normale, extraction possible. Loi de Descartes:

127 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques127 Cône de sortie de la lumière Daprès la relation précédente Entre 0 et 16°, la transmission T varie de 70% à 0

128 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques128 Cône de sortie de la lumière c critical angle of total internal reflection Problem: Only small fraction of light can escape from semiconductor

129 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques129 Distribution spatiale du rayonnement I air emission intensity in air angle with respect to surface normal

130 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques130

131 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques131 Rendement quantique externe Couplage avec fibre optique: pertes n2n2 n2n2 n1n1 angle maximum n0n0

132 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques132 Rendement quantique externe Si la source a une distribution en « cosinus » (Lambertian), la fraction de lumière couplée dans la fibre est donnée par:

133 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques133 LED à émission horizontale

134 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques134 LED à émission par la surface

135 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques135 Utilisation de substrat transparent

136 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques136 Utilisation de substrat transparent

137 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques137 Utilisation de miroirs de Bragg (DBR) (cas de substrat absorbant = 50% perte) DBR accordé en maille avec la DH DBR doit être conducteur (suivant géométrie de la diode) DBR doit être centré sur la longueur donde de fctment.

138 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques138 Utilisation de miroirs de Bragg (DBR) (cas de substrat absorbant = 50% perte)

139 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques139

140 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques140 Le LASER à semi-conducteur

141 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques141 Laser à SC 1° MASER en ° LASER en 1962 –MASER : Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation –LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation –Laser à SC : Aigrain en 1958 –Le premier à SC en 1962 avec du GaAs 1° MASER en ° LASER en 1962 –MASER : Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation –LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation –Laser à SC : Aigrain en 1958 –Le premier à SC en 1962 avec du GaAs

142 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques142 Laser à SC Fonctionnement: –Inversion de population –Laser à 4 niveaux Pompage –N 1 augmente et N 2 diminue –Tant que N 2 >N 1 le photon incident induit des transitions de N 2 vers N 1 –Si N 1 >N 2, le photon incident induit des transitions de N 1 vers N 2 par émission stimulée –N 1 >N 2 inversion de population ( Temp<0) ie létat dénergie supérieur plus peuplé N1N1 N2N2 h 3 0

143 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques143 Laser à SC E Fn E Fp États discrets États continus Effet Laser : N 1 >N 2 Ici E F > Eg EF = EF C -EF V h N1N1 N2N2 h

144 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques144 Laser à SC : pertes par effet Auger E Fn E Fp 1 2 h Dans le SC, le photon incident peut être absorbé par un électron (ou trous) de la bande de conduction qui « saute » sur un niveau énergétique plus haut: cest leffet Auger Donc Effet LASER : E F > E g et effet Auger (2) < Absorption normale (1)

145 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques145 Laser à SC Jonction PN doublement dégénérée ! La zone active plus côté p que côté n (voir LED)

146 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques146 Laser à SC Différences entre laser conventionnel et SC –La taille : du mètre au µm –La Puissance : kW au W –Cohérence spatiale et temporelle plus petites pour SC –Rendement : meilleur pour le laser à SC (pas de pompage) –Possibilité de modulation : il suffit de moduler le courant dans la pn ! –Tout le spectre de lUV à lIR accessible

147 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques147 Laser à SC : gain du Laser Gain (ou coeff damplification) du Laser: même définition que le coefficient dabsorption Soit r st (E) le nb de photons émis par émission stimulée par unité de temps et de volume r st (E)*S*dx = r st (E) dx = d Avec (E) le flux de photons

148 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques148 Laser à SC : gain du Laser Amplification: g(E) >0 rst(E) >0 E FC -E FV >E g(E) >0 condition nécessaire et pas suffisante car il y a absorption par les porteurs libres (Auger) Soit A(E) le gain net : Si A(E) >0, condition nécessaire et suffisante

149 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques149 Laser à SC : gain du Laser si A(E) < 0 LED ( uniquement émission spontanée si A(E) > 0 lamplification commence dans le matériau. Or lémission nest pas isotrope! n p 1 2 Le photon 1 sera bcp plus amplifié que le photon 2 car son chemin est plus long émission sera directive Zone active Ce nest pas encore un LASER

150 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques150 Laser à SC : diode superradiante n p 1 2 Led superradiante

151 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques151 Laser à SC Le SC a un indice n important (3.5). Il existe une réflexion (R=30%) des photons vont « rebrousser » chemin et être encore amplifiés : on a une cavité résonnante on va donc encore augmenter la densité de photons, mais attention, pas « nimporte » lesquels !!!

152 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques152 Laser à SC: cavité de Fabry - Pérot Cavité de Fabry – Pérot : sélection de modes doscillations : k = 2 n L n : indice du milieu (SC) L : longueur de la cavité

153 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques153 Laser : condition doscillation en 1: en 2: en 3: en 4: en 5: p n

154 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques154 Laser : conditions doscillation p n En 5 et en 1, on est au même « endroit ». 2 cas : soit Dans le cas où, le système peut diverger en théorie. Si R 1 =R 2

155 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques155 Laser Condition damplification : A(E) > 0 Condition doscillation : –Dans ce cas, le gain est supérieur aux pertes de la cavité Résumé: –g(E) > 0 cond. nécessaire => LED –g(E) > p (E) cond. suffisante (ampli) => LED superradiante – cond. doscillation : Laser

156 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques156 Laser Pour E>E 0 : émission spontanée : cest une LED Si E E 1 émission spontanée car émission stimulée « mangée » par P (E) E 1

157 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques157 Laser: émission multimode

158 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques158 Laser: émission multimode La cavité sélectionne un certain nombre de modes définis par: n: indice, L: longueur de la cavité, k: ordre dinterférence

159 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques159 Laser: distribution spectrale Le spectre du rayonnement LASER est donné par le spectre du rayonnement stimulé r st (E): Position de la raie du spectre stimulé: on dérive léq ci-dessus. Le max est obtenu dr st (E)/dE= 0 En inversion, F>E pente >0

160 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques160 Laser: distribution spectrale Le max de la raie de lémission stimulée se trouve sur le flanc « basse énergie » de la raie démission spontanée Si F>>E (on augmente lexcitation) exp ( ) tend vers linfini dr sp (E)/dE tend vers 0, ie sommet de la raie E.spontanée

161 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques161 Laser: distribution spatiale Lindice est plus fort dans la région stimulée: –Amélioration du gain et du confinement optique Émission du photon à lextérieur : sortent du coté L Longueur donde du rayonnement et largeur de la fente similaires (µm) réfraction Ouverture du faisceau –horizontal –vertical L=100µm 0.2 à 1 µm l=10µm p n

162 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques162 Laser: courant de seuil Si pas inversion LED, le flux est proportionnel au courant Quand E f atteint la bande (BC et BV) et que g(E) > p (E) surlinéarité du flux I E. spontanée Début de lamplification oscillations I0I0

163 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques163 Laser: courant de seuil Équation régissant le problème: –La recombinaison des e - est provoquée par les photons population de - et de photons interdépendantes. –On pose n: lexcédent délectrons (du à linjection) N: lexcédent de photons

164 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques164 Laser: courant de seuil Durée de vie des photons dans la cavité: –Absorption –Émission hors de la cavité –Coefficient effectif dabsorption –En moyenne le photon est absorbé sur 1/ Perte globale de la cavité

165 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques165 Laser: courant de seuil Gain au seuil de la cavité Facteur de gain, constante propre au composant

166 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques166 Laser: courant de seuil Au-delà du seuil: –Oscillation sur le mode sélectionné par la cavité –Durée de vie des électrons excédentaires diminue (proba émission stimulée augmente) –Densité n=n 0

167 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques167 Laser: courant de seuil Courant de seuil est proportionnel à lépaisseur de la cavité si la couche active est suffisamment large ! Si d plus petite que la longueur donde démission, le confinement optique commence à décroître et le courant de seuil augmente Si d de lordre de qq 100 Angstrom, effets quantiques

168 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques168 Laser: Confinement optique: Distance perpendiculaire à la cavité (z) Constante diélectrique région p Zone active région n Onde optique confinée => Condition doscillation: Gain modal:

169 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques169 Laser: Confinement optique: d=250 ang

170 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques170 Diode laser à hétérojonction enterrée

171 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques171 Diode laser monomode But: obtenir un rayonnement monofréquence Idée de base: réduire la longueur L de la cavité jusquà ce que lespacement entre 2 modes longitudinaux (c/2nL) soit supérieur à la courbe de gain. Difficultés: –Cavité très courte (environ 5µm pour les laser à cavité verticale = VCSELs) –Contrôle strict de L pour stabiliser la raie

172 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques172 Diode laser monomode EcEc EcEc Un seul mode sera amplifié dénergie E C émission monomode

173 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques173 Laser à émission verticale : VCSELs Jusquà présent, on a étudié les lasers à émission par la tranche (« edge emitting ») La condition doscillations laser sécrit: Comme R=0.3, on doit avoir L de lordre de 100 µm pour avoir J th raisonnable.

174 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques174 Laser à émission verticale : VCSELs Dans le cas de VCSELs, les miroirs sont placés au dessus et au dessous de la couche active on peut réduire L dun facteur 10, ie L = 10 µm. Pour maintenir un courant de seuil correct, réalisation de miroirs avec des R=99% voir plus !

175 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques175 Laser à émission verticale : VCSELs On adapte le « pic » de réflexion des DBR en fonction de la courbe de gain de la couche active. Avec: n r1

176 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques176 Laser à émission verticale : VCSELs Avantages: –Taille réduite du composant –Lumière sort perpendiculairement (télécom) –L petite, donc courant de seuil faible (< 100µA) Difficultés: –Injection du courant (DBR dopés) –Faible puissance de sortie (volume actif petit)!) –Échauffement du dispositif (résistance importante Dégradation de performances Courant de seuil

177 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques177 Laser à émission verticale : VCSELs Modification de la condition damplification:

178 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques178 Influence de la température Température et courant de seuil: –Courant de seuil augmente « aplatissement » des fonctions de Fermi augmentation de linjection pour atteindre les conditions dinversion –Augmentation du courant de fuite Les porteurs peuvent franchir les couches de confinement (« cladding layers ») et une part du courant ne sert pas à leffet Laser –Augmentation de leffet Auger Processus non radiatif ! On essaye davoir T 0 le plus grand possible. Pour GaAs, 120 K

179 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques179 Influence de la température Température et spectre démission –Modification du gap: Déplacement du spectre vers les basses énergies –3 à 4 Angstrom / K –Modification du la cavité et des indices: Température et spectre démission –Modification du gap: Déplacement du spectre vers les basses énergies –3 à 4 Angstrom / K –Modification du la cavité et des indices:

180 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques180 Rendements de la diode Laser Rendement quantique interne: cest pareil que pour la LED Puissance optique interne: cest la puissance créée par émission stimulée. On néglige la puissance émise par émission spontanée

181 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques181 Rendements de la diode Laser Pertes sur P int : deux contributions Contribution proportionnelle aux pertes de propagation : terme en P int Contribution due à lémission de lumière vers lextérieur: terme en rad P int Puissance optique émise par les 2 faces du Laser:

182 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques182 Rendements de la diode Laser Rendement différentiel : deux définitions Sans dimension Attention : ici Popt est la puissance émise par les 2 faces!! Dans les docs, cest par une face!!

183 Ph. Lorenzini Polytech'Nice Sophia composants optoélectroniques183 Rendements de la diode Laser Rendement global Cest celui qui intéresse lutilisateur. Il détermine les mesures à prendre pour évacuer la chaleur.


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