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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: r a.

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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: r a  - processus à la base des photodétecteurs b- Recombinaison d’une paire e-t: processus d’émission spontanée: - taux d’émission spontanée: r sp  - processus à la base des DEL c- Recombinaison par émission stimulée: - taux d’émission stimulée: r st  - 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)=I 0 exp(  x) avec  = gain > 0

3 Figure 4.2bis : Coefficient d’absorption de quelques semiconducteurs Coefficient d’absorption  en fonction de l’énergie pour Ge, Si, GaAs et d’autres SC III-V, à T=300K. Comparer  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 E g et E fc - E fv (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): E f dans la bande de conduction (n) et E f 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: E fc 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 f c (E) -Quasi niveau E fc = E c + ħ 2 /2m c (3  2 n) 2/3 Les trous dans la B.V. sont en équilibre entre eux: -Fonction de Fermi pour les trous f v (E) -Quasi niveau E fv = E v - ħ 2 /2m v (3  2 p) 2/3

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

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  m: réduction de j T ). -Confinement optique: indice de GaAs > indice des barrières, donc la structure se comporte comme un guide (  de l’ordre de 


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