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Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

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1 Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg

2 Plan du cours 1Introduction 2Interaction rayonnement-semiconducteur 3Photodétecteurs 4Emetteurs de rayonnement à semiconducteur

3 Plan du cours 1Introduction 2Interaction rayonnement-semiconducteur 3Photodétecteurs 4Emetteurs de rayonnement à semiconducteur

4 Photoémetteurs -Diode électroluminescente LED -Laser à semiconducteur -Emetteurs à SC et télecommunications

5 Photoémetteurs -Diode électroluminescente LED -Laser à semiconducteur -Emetteurs à SC et télecommunications

6 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Principe : jonction p-n polarisée en direct Jonction p-n polarisée en direct EVEV ECEC E Fp W diffusion pn VFVF E Fn eV F

7 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Principe : jonction p-n polarisée en direct Jonction p-n polarisée en direct W EVEV ECEC E Fp E Fn eV F n p LnLn LpLp h

8 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Rappel : jonction p-n polarisée en direct pn VFVF W x dpdp dndn LnLn LpLp L n(p) << d n(p) xcxc xpxp xnxn xcxc

9 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Rappel : jonction p-n polarisée en direct pn VFVF W x dpdp dndn LnLn LpLp xcxc xpxp xnxn xcxc

10 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Principe : jonction p-n polarisée en direct Si V F est suffisante W étroiterôle mineur dans émission Injection de trous dans zone de type n Injection délectrons dans zone de type p

11 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Principe : jonction p-n polarisée en direct Courant total J conservatif (indépendant de x) JSJS

12 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Principe : jonction p-n polarisée en direct Taux dinjection des porteurs minoritaires ( n >> p ) Recombinaisons essentiellement dans zone p

13 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Structure LED n substrat p SiO 2 Al Au

14 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Spectre démission Lié à E g de SC de type p et au dopant utilisé III-V miscibles : GaAs x P 1-x ; Ga x In 1-x P E g = E g (x) Emission dans le bleu difficile GaN

15 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Spectre démission

16 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Spectre démission MatériauPic (nm)CouleurRendement (%) GaAs (Si)1000IR10 GaAs (Zn)900IR0.1 GaP (Zn, O)699Rouge4 GaAs 0.6 P 0.4 (Te)644Rouge0.2 GaAs 0.35 P 0.35 (S, N)632Orange0.2 GaP (N)690Jaune0.1 GaAs 0.15 P 0.85 (S, N)589Jaune0.05 GaP (N)570Vert0.1 Gap indirect

17 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Rendement Rendement quantique interne i Taux de recombinaison radiatif or ( nr >> r SC à gap direct) Rendement radiatif

18 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Rendement Rendement optique o Photons réabsorbés avant sortie de la diode Réflexion totale Semiconducteur (n 1 ~3.5) Air (n 2 = 1) 1 2 Loi de Snell-Descartes n 1 sin 1 = n 2 sin 2 rt

19 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Rendement Rendement optique o Photon réfléchi à interface air/SC Photon sortant de la diode rt Angle solide couvrant espace : Angle solide sous-tendu par rt :

20 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Rendement Rendement optique o n = 3.5 o = 1 % + interface transparent en plastique dindice n p = 1.5 o = 4 % + interface hémisphérique (incidence normale) T = 96 %

21 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Rendement Rendement quantique externe e e = i o = Rendement global Nb photons émis Nb porteurs traversant p-n

22 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Rendement Rendement global LED AlGaInP (rouge / jaune) > lampe à incandescence

23 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Temps de réponse, fréquence de coupure Modulation par courant injecté dans la diode Fréquence de modulation limitée par diffusion dans jonction pn V o +V 1 sin( t) W dpdp LnLn - d p >> L n - V o >> V 1 - faible injection ~ constant

24 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Temps de réponse, fréquence de coupure Distribution des électrons dans zone p : avec VoVo V 1 sin( t)

25 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Temps de réponse, fréquence de coupure Distribution des électrons dans zone p : avec

26 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Temps de réponse, fréquence de coupure Distribution des électrons dans zone p : (d p >> L n )

27 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Temps de réponse, fréquence de coupure Courant traversant la jonction : J = j n (x p ) + j p (x n ) ~ j n (x p ) soitavec

28 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Temps de réponse, fréquence de coupure Nombre de photons émis (/cm 2 s) : N e = i o = Nb photons émis Nb porteurs traversant p-n soitavec

29 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Temps de réponse, fréquence de coupure et Efficacité de modulation Modulation du rayonnement Modulation du courant dexcitation

30 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Temps de réponse, fréquence de coupure Efficacité de modulation avec (efficacité de modulation basse fréquence) et (passe-bas)

31 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Temps de réponse, fréquence de coupure Fréquence de coupure or (B : probabilité de transition radiative) f c augmente si p o (dopage) augmente Utilisation de forts dopages dans limites de solubilité

32 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Temps de réponse, fréquence de coupure Fréquence de coupure f c = 114 MHz Ex : GaAs Limite de solubilité ~ /cm 3 et B = 7.2x cm 3 /s

33 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Temps de réponse, fréquence de coupure

34 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Brillance : B r (W/sr m 2 ) Emission dans demi-plan et non isotrope B ro brillance dans direction axiale ; S surface émettrice Flux dénergie t = SB ro

35 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Structure des LEDs usuelles 3 applications usuelles : - affichage - photocoupleurs - transmission par fibre Application conditionne la structure

36 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Structure des LEDs usuelles : affichage - Emission dans le visible (E g ) - Surface émettrice suffisante (géométrie)

37 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Structure des LEDs usuelles : photocoupleurs LED Photo diode (Si) Circuit 1Circuit 2 Transmission de signaux logiques entre 2 circuits isolés Emission LED compatible avec Si : GaAsP

38 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Structure des LEDs usuelles : transmission par fibres - Emission LED compatible avec = 1.3 ou 1.5 µm - Possibilité de modulation

39 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Structure des LEDs usuelles : caractéristique commune Fort rendement quantique interne i Matériaux purs (chimique et cristallographique) ( nr >> r ) Réalisations de couches épitaxiées

40 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Structure des LEDs usuelles : Molecular Beam Epitaxy (MBE)

41 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Structure des LEDs usuelles : Molecular Beam Epitaxy (MBE) Ga As P dopants Ultravide ( Torr) Dopage durant croissance Nettoyage substrat in-situ T substrat ~ °C Vitesse dépôt ~ µm/min

42 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Structure des LEDs usuelles : GaAs 0.35 P 0.65 (orange) GaP n + isolant contact GaAs x P 1-x (0

43 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Structure des LEDs usuelles : GaAs 0.35 P 0.65 (orange) Encapsulation - Protection de LED et contacts - Augmente rendement (discontinuité dindices, diminution de réflexion : incidence normale)

44 Photoémetteurs Diode électroluminescente LED Exemple de LEDs usuelles

45 Photoémetteurs -Diode électroluminescente LED -Laser à semiconducteur -Emetteurs à SC et télecommunications

46 Photoémetteurs -Diode électroluminescente LED -Laser à semiconducteur -Emetteurs à SC et télecommunications

47 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Principe LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation : découverte de lémission stimulée (Einstein) : premier LASER à rubis (Maiman) : théorie de LASER à semiconducteur (Aigrain) : premier LASER à semiconducteur (AsGa)

48 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Principe : Laser E 0 Pompage (excitation externe) Durée de vie dans état 2 >> durées de vie transitions (3 2) et (1 0) N 2 > N 1 : inversion de population

49 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur Niveaux discrets remplacés par bandes dénergie N 2 > N 1 E Fn -E Fp > E g (condition dinversion) Rayonnement amplifié réabsorbé par transitions intrabandes

50 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur E Fn -E Fp > E g (condition dinversion) E EVEV ECEC EFEF EgEg N(E) E EVEV ECEC E Fp EgEg N(E) E Fn E EVEV ECEC E Fp EgEg N(E) E Fn Équilibre thermodynamiqueInversion (0 K)Inversion (RT)

51 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur Rayonnement réabsorbé par transitions intrabandes h E = h

52 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct Régions n et p très fortement dopées ; régime de forte injection Extréma BV et BC perturbés Gap effectif E g < E g Laser à injection ou diodes lasers

53 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct p n EgEg EcEc EFEF EvEv Equilibre thermique p n EgEg EcEc E Fv EvEv Polarisation directe E Fc VFVF

54 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct p n EgEg EcEc EFEF EvEv Equilibre thermique p n EgEg EcEc E Fv EvEv Forte injection E Fc VFVF d Zone dinversion

55 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Principe : caractéristiques communes - faibles dimensions (~ µm) - puissance et cohérence spatiale << lasers conventionnels - rendement >> lasers conventionnels (conversion efficace) - grande facilité de modulation (transmission par fibres) - spectre couvert visible proche IR (III-V ; II-VI)

56 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Gain : g(E) (E) : flux de photons dans le matériau Gain (gain coefficient dabsorption (E) si g(E) < 0)

57 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Gain : g(E) r st (E) : taux démission stimulée r st (E) = (Nb photons créés par stimulation) / V t Injection donnée, g = g(E)

58 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Gain : g(E) Condition démission stimulée : g(E) > 0 (inversion de population) et g(E) supérieur aux pertes (transitions intrabandes)

59 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Gain : g(E) h E = h Transitions intrabandes Absorption par porteurs libres (Auger) Coefficient dabsorption par porteurs libres p (E) Coefficient net dabsorption A(E) = g(E) - p (E)

60 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Gain net : A(E) = g(E) - p (E) Condition démission stimulée : A(E) > 0 - augmentation de lintensité du signal lumineux émis - directivité de lémission (direction la + grande de diode) Diode superradiante

61 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Gain Electrodes métalliques p n Zone active L d L : longueur de la diode ~ 300 µm d : épaisseur de zone active ~ 0.2 µm

62 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Gain Semiconducteur, n ~ 3.5 Réflexion (~ 30 %) interface air / SC Cavité résonante (Fabry-Pérot) p n L Photon stimulé émis Photons transmis d

63 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Gain p n L Photon stimulé émis d M1M1 M 2/3 M 4/5 Flux en M 1 : (E) flux (E)e A(E)L en M 2 (avant réflexion) flux R (E)e A(E)L en M 3 (après réflexion) flux R (E)e 2A(E)L en M 4 (avant réflexion) flux R 2 (E)e 2A(E)L en M 5 (après réflexion) Résonance si R 2 (E)e 2A(E)L > (E)

64 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Gain Condition de résonance : R 2 (E)e 2A(E)L > (E) Avec p (E) ~ 70 cm -1 ; n = 3.6 ; R ~ 30 % ; L = 300 µm g(E) > 100 cm -1

65 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Gain E g(E) (cm -1 ) p p + (1/L)Ln(1/R) EgEg E1E1 E2E2 E2E2 E1E1 E0E0 Pas de photon émis E < E g Pas dinversion émission spontanée E > E 0 A(E) < 0 émission spontanée A(E) < 0 émission spontanée résonance émission stimulée

66 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Distribution spectrale du rayonnement sans résonance où F = E Fn - E Fp Position de raie stimulée : > 0 (inversion)

67 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Distribution spectrale du rayonnement sans résonance Raie démission stimulée sur flanc montant de r sp (E) = f(E) Forte injection ( F grand) raie démission stimulée au maximum du spectre démission spontanée

68 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Distribution spectrale du rayonnement sans résonance (E) E Faible injection pas démission stimulée Forte injection émission stimulée Très forte injection émission stimulée Pic démission stimulée sur le flanc montant de r sp (E) Pic démission stimulée au maximum de r sp (E) à très forte injection

69 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Distribution spectrale du rayonnement avec résonance L k = 1 k = 2k = 3d Résonance possible pour k modes avec 2nL = k milieu dindice n

70 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Distribution spectrale du rayonnement avec résonance 2nL = k entre 2 modes, k = -1 distance intermode

71 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Distribution spectrale du rayonnement avec résonance E (eV)

72 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Distribution spatiale du rayonnement l ~ 10 µm d < 1 µm L ~300 µm n 1 % d Variation dindice (~ 1 %) dans zone de forte injection Guide donde (confinement)

73 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Distribution spatiale du rayonnement l ~ 10 µm d < 1 µm L ~300 µm Amplification maximale dans la direction la plus grande (L)

74 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Distribution spatiale du rayonnement l ~ 10 µm d < 1 µm L ~300 µm 1 2 = 1 µm ~ d ~ l Ouverture faisceau conditionnée par diffraction

75 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o Courant excitateur J Flux (E) J JoJo Emission spontanée ~ J Emission stimulée ~ J

76 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o J = j n (x p ) + j p (x n ) ~ j n (x p ) ( n >> p ) Hypothèses :- zone active homogène - e - injectés recombinés dans zone active

77 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o (équation de continuité) Durée de vie des e - en régime démission spontanée Taux de recombinaison des e - stimulés dans mode i

78 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o Taux de recombinaison des e - stimulés dans mode i Taux démission de photons stimulés dans mode i L i = 1 i = 2i = 3d milieu dindice

79 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o Taux de recombinaison des e - stimulés dans mode i Taux démission de photons stimulés dans mode i Densité de photons sur le mode i

80 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o où A i (n) ~ gain du laser On stipule A i (n) = A i n avec A i (cm 3 /s)

81 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o Génération de photon dans mode i Recombinaison de photon dans mode i Probabilité de génération spontanée dun photon dans mode i Durée de vie dun photon dans mode i dans la cavité

82 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o N : Durée de vie dun photon du mode i dans la cavité Vitesse du photon dans cavité dindice Pertes dans la cavité

83 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o Hypothèses :- diode monomode - i ~ 0

84 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o En régime stationnaire, J constant n et N constants

85 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o Si J < J o, N négligeable (rayonnement spontané seulement) et J JoJo

86 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o Si J = J o et J JoJo

87 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o Si J > J o J JoJo ( n diminue car émission stimulée n sature)

88 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Courant de seuil : J o E (eV) Comportement réel diodes multimodes zone active non homogène (comportement filamentaire) Mode plus intense peut changer au cours du temps (influence dans communication par fibres)

89 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Fréquence de coupure J JoJo Variation linéaire = f(J) Modulation damplitude pour communication par fibre Fréquence de coupure f c conditionnée par n LED émission spontanée, n ~ 1 ns Diode laser, n plus faible (émission stimulée) f c plus grande

90 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Fréquence de coupure J = J + Je j t avec J > J o ; J << J – J o n = n + ne j t N = N + Ne j t

91 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Fréquence de coupure En régime stationnaire,

92 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Fréquence de coupure De même,

93 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Fréquence de coupure et (J > J o ) (n sature car émission stimulée)

94 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Fréquence de coupure On pose et

95 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Fréquence de coupure

96 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Fréquence de coupure modulation On pose et Amplitude de modulation

97 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Fréquence de coupure A ~ A o si << o A ~ A o o 2 / 2 si >> o A = A max = A o / si >> o Fréquence de résonance

98 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Fréquence de coupure f o augmente avec J

99 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Fréquence de coupure Ordres de grandeur n ~ s (LED émission spontanée) avec p ~ 60cm -1, L ~ 300 µm R ~ 30 % et ~ 3.5 N ~ s Pour J = 1.1J o 10 x supérieure à f c pour LED

100 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Structure réelle des diodes lasers : double hétérojonction (DH) l ~ 10 µm d ~ 0.1 µm L ~300 µm p GaAs 1 µm Confinement des électrons et des photons dans zone active

101 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Structure réelle des diodes lasers Confinement des photons dans zone active par variation importante dindice entre AlGaAs et GaAs (~ 5 %) Meilleur confinement que dans homojonction ( )

102 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Structure réelle des diodes lasers Confinement des électrons dans zone active par variation du gap entre Al 0.7 Ga 0.3 As (1.9 eV) et GaAs (1.4 eV)

103 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Structure réelle des diodes lasers Confinement supplémentaire des électrons dans zone active par irradiation sélective aux protons zones fortement résistives Irradiation aux protons Zones résistives

104 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Structure réelle des diodes lasers : double hétérojonction (DH) Confinement des électrons et des photons dans zone active limite le courant de seuil J o Utilisation de puits quantiques (hétérostructures qqs 10 nm) augmente encore confinement des électrons

105 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Structures verticales (VCSEL) Vertical Cavity Surface Emitting Laser Emission de lumière zone active - Nombreux lasers sur même substrat - Connexion plus simple avec fibres optiques

106 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Structures verticales (VCSEL) Mais un seul passage des photons dans zone active résonance Puissance faible

107 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Structures verticales (VCSEL) Distributed Bragg Reflectors + confinement

108 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Structures verticales (VCSEL) Distributed Bragg Reflectors : multicouches de semiconducteur dindice différent Réflectivité ~ 99.9 % (/ 30 % pour miroirs classiques)

109 Photoémetteurs Laser à semiconducteur Structures verticales (VCSEL)

110 Photoémetteurs -Diode électroluminescente LED -Laser à semiconducteur -Emetteurs à SC et télecommunications

111 Photoémetteurs -Diode électroluminescente LED -Laser à semiconducteur -Emetteurs à SC et télecommunications

112 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Choix de lémetteur - Spectre démission compatible avec fibres optiques - Modulation - Couplage émetteur / fibre

113 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Choix de lémetteur Fibres optiques : - transparence et faible dispersion = µm - diamètres qqs µm qqs 100 µm Emetteurs : - rayonnement modulable = µm - surface active de faibles dimensions LEDs et diodes lasers

114 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Choix de lémetteur LEDs : moins chères meilleure durée de vie facilement modulables Diodes laser : surface active plus faible rayonnement + monochromatique rayonnement + puissant et directif Diminue dispersion intermode Favorise couplage

115 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Ouverture numérique de la fibre r gaine cœur Fibre Fibre à variation brutale dindice

116 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications r Ouverture numérique de la fibre Réflexion totale Angle dincidence maximal m c Ouverture Numérique ON

117 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications r Ouverture numérique de la fibre Ex : Cœur en silice dopée (SiO 2 -GeO 2 ) : Gaine en silice pure (SiO 2 ) : Fibre dans lair : ON = 0.3 et m = 18° (fibres à gradient dindice moins tolérantes)

118 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Couplage émetteur-fibre LED de surface émettrice S fibre de section de cœur > S Flux dénergie transmis par la fibre : m LED S m

119 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Couplage émetteur-fibre où B r : brillance or B r = B ro cos (B ro : brillance dans direction axiale)

120 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Couplage émetteur-fibre : flux transmis par fibre : flux total émis par la diode Rendement de couplage c c ~ 10 % pour ON = 0.3

121 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Couplage émetteur-fibre Rendement de couplage : Si surface de la fibre S f < S c réduit de S f / S Couplage optimal si ON maximal et S f > S

122 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Couplages LED-fibre

123 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Couplages LED-fibre

124 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Couplages LED-fibre

125 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Couplages diode laser-fibre

126 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Couplages diode laser-fibre

127 Photoémetteurs Emetteurs à SC et télécommunications Couplages diode laser-fibre

128 Composants Optoélectroniques Références H. Mathieu : Physique des semiconducteurs et des composants électroniques Masson S.M. Sze : Semiconductor devices Wiley


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