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LE MONDE QUANTIQUE AU QUOTIDIEN:

L’OPTO-ELECTRONIQUE

« Laissez dire les sots ; le savoir a son prix » Jean de La Fontaine. Livre VIII

L'Avantage de la science

Emmanuel ROSENCHER

Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA)

Département de Physique (École Polytechnique)

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• Là où tout commence : l’effet photoélectrique

• Les briques de base

• La détection quantique

• Les émetteurs de lumière

• Les nouvelles frontières

De quoi va-t-on parler?

2

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LA OU TOUT COMMENCE:

L’EFFET PHOTOELECTRIQUE

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Rudolf-Heinrich Hertz, 1887

V 0

En 1887, Rudolf-Heinrich Hertz d écouvre l’effet photoélectrique

Philipp von Lenard, 1895

« Il semble y avoir un rapport entrel’énergie des électrons émis

et la fréquence de la lumière excitatrice »

3

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LE SPECTRE DU CORPS NOIR

Max Planck14 Décembre 1900

La lumière arrive en paquets d’énergie quantifiée E = h f

h = 6.63 10-34 J.s

1 101

10

100

1000

10000

Hertz

1000K

314313

300 K

Em

issi

vité

(W/m

2 /µm

)

Longueur d'onde (µm)

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Et Dieu créa Albert Einstein …

Albert Einsteinen 1905

W= potentiel qui retientles électrons dans le métal

h f

Énergie des électrons

videmétal

h f’

h = constante de Planck découverte dans le spectre du corps noir

∆E

4

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Millikan passe 12 ans de sa vie à vouloir démontrer que Einstein à tort…

Millikan 1925 h = 6.63 10-34 J.s !!!!!

C’est celui qui dit qui est !La Physique Quantique vient de naître ….

∆E

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µmµmondedlongueur eVphotonduenergieeV241

)()(,)(' =

0,01

0,1

1

10

100

Énergie (eV)

300 K

100 µm

10 µm

1 µm

100 nm

10 nm

Longueur d’onde

infrarouge

UV

X

Pileélectrique

5

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La cellule photoélectrique: le premier composant quantique …

LEE De FORESTLa première caméra de télévision

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QUELQUES BRIQUES DE BASE:

Les semiconducteurs

La diode

Le puits quantique

6

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Louis de Broglie découvre que les électrons se comportent comme des ondes

1925

λ

λ

22 1m2

hEλ

= Relation entre la longueur d’onde et l ’énergied’un électron

Énergie des électrons

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Bande d’énergies interdites

1930

Wigner, Seitz, Bloch décrivent la structure de bandes des solides

énergie

7

13/40

Un état vide dans la bande de valence est un trou

Le trou se déplace dans la direction opposée à celle de l’électron:C’est une quasi-particule de charge positive

Bande d’énergies interdites

Bande de

valence

Bande de

conduction

énergie

=

Wolfgang Pauli

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8

15/40

La transition optique interbande

Absorption de photons

Émissionde photons

Bande de valence

Bande de conduction

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Gaps et couleurs

Infrarougeproche

Visible

UV

Infrarougelointain

9

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Le dopage, la zone de charge d’espace et la jonction p/n

B- Si

Si

Si

SiSi

Si SiSi

δ+

Dopage p

P+ Si

Si

Si

SiSi

Si SiSi

Dopage n

Cham

p électrique

PSi

CB

IV VIII

Mendeleev

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Le puits quantique (1)

TECHNOLOGIES DE L’ULTRA-VIDE

1970-1980

10

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Le puits quantique (2)

1

2

AlGaAs AlGaAsGaAs

vidéo

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LA DETECTION QUANTIQUE:

L’effet photovoltaïqueLes détecteurs infrarougeLes caméras CCDLes cellules solaires

11

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transition inter-sousbande

BC

PHOTO-DETECTION QUANTIQUE

photoémission internetransition interbande

BV

BC

22/40

n

p++

EFFET PHOTOVOLTAIQUE

12

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Exemple 1: MATRICE CCD

Paquet d’électrons photocréés

gV

Métal Oxide Silicium

Taille typique actuelle: 6 µm x 6 µmNombre typique de pixel: 10 000 000Taille de matrice: 1 cm2

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Pourquoi les bandes 3-5 µm et 8-12 µm sont elles si importantes ?

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Tra

nsm

issi

on

12108642Longueur d'onde (µm)

CO, CO2, NO, N2O, SO2, O3, CH4

TNT, H2O,Sarin, …

Exemple 2: les détecteurs infrarouge Hgx Cd1-x Te

13

25/40

Exemple 2: les détecteurs infrarouge Hgx Cd1-x Te

3 – 5 µmsoit

0.25 - 0.40 eV

8 – 12 µmsoit

0.10 - 0.15 eV

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Imagerie thermique infrarouge

Niveau de carburant

Image d ’un avion furtif en infrarouge

Mauvaise vascularisation d’une main

14

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Exemple 3: Cellule solaire en silicium

Ensoleillement maximal : 1000 W/m2

Rendement quantique : 15 %

0 1 2 3 4 5eV

0

1́107

2́107

3́107

4́107

W•m̂ 2.µm

Spectre solaire

Rendement de conversiondans Si

Courant maximal : 150 W/m2

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LES EMETTEURS DE LUMIERE:

Diodes électroluminescentesDiodes lasers

15

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LA DIODE ELECTROLUMINESCENTE (LED)

n

p++

AlGaAsN

AlGaAsP

GaAs

LED : 1 électron → 1 photon soit 1 Amp → 1 Watt

Ampoule : 1 Amp → 0,1 Watt

Émission spontanée

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CARACTERISTIQUES DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES

Énergie des photons

Pui

ssan

ce é

mis

e

GAP

• Large spectre émis

• Faisceau assez divergent

• Fréquence de modulation faible (≈100 MHz)•Technologie planaire → faible coût

• Commandes à distance(zappette, automobile,…)

• Panneau d’affichage, feux ….

• Réseaux locaux de télécom

• Révolution de l ’éclairage

Caractéristiques Applications

Ampoule

16

31/40

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

1

2

3

4

5

6

7

ZnTe

CdSeInP

AlAs

GaAs

InN

ZnSe

Si

GaPAlP

ZnS

GaNZnO

AlN

C

BN

Ban

de in

terd

ite à

0 K

(eV

)

Maille du cristal (Ang.)

UV

COULEURS DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES

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LES AVENTURES DE LA DIODE BLEUE

MORALE DE CETTE HISTOIRE ????

Après la découverte de Nakamura

1974 : Découverte de l ’électroluminescence de GaN dans le bleu1974- 1984 : Recherche de dopants p de GaN1980 : Article théorique « on the impossibility to p-dope wide band gap materials »

1984-1993 : Fin des recherches sur GaN

Nakamura

1984-1993 : Recherche de Nakamura à la société Nichia du dopage p de GaN1993 : Découverte du dopage de GaN par Mg !!!2005 : Marché mondial de plusieurs milliards d’Euros

Avant la découverte de Nakamura

17

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Amplificationoptique

L’EMISSION STIMULEE

Absorption Émissionspontanée

Émissionstimulée

Albert Einstein1917

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MiroirMiroir

Amplificateur optique

L’OSCILLATION LASER

Inte

nsité

de

l’ond

e

18

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LE LASER A SEMICONDUCTEUR

n

p

John von Neuman1952

AlGaAsP

AlGaAsN

GaAs

General electric 1968

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LES CARACTERISTIQUES DU LASER A SEMICONDUCTEUR

Énergie des photons

• Spectre émis très pur• Faisceau très fin

• Fréquence de modulation élevé (> 30 GHz)

•Technologie non planaire → coût élevé

•Télécommunications

• Lecteurs de disques CD• Pointeurs laser

•

Caractéristiques Applications

Pui

ssan

ce é

mis

e λ≈laser

LED

19

37/40

5.0 5.5 6.0 6.50

1

2

3

4

5

6

7

InAs

InP

AlAs

GaAs

InN

Si

GaP

AlPGaN

AlN

Ban

de in

terd

ite à

0 K

(eV

)

Maille du cristal (Ang.)

Gammes des diodes lasers

GaP/AlGaPRouge

Pointeurs

GaAs/AlGaAs0.8 – 1 µmLecteur CD

InP/InGaAs1.4 – 1.6 µm

Télécom.

GaN/AlGaNBleu-UVCD, DVD

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Exemple d’applications: le lecteur de disque compact CD et DVD

Longueur d’onde 785 nm 405 nmCapacité de stockage 0.15 GB/cm2 0.6 GB/ cm 2

Encyclopédia Univ. 0.6 m2 0.15 m2

20

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Exemple d’applications: les télécommunications optiques

Encyclopedia Universalis ≈

1 000 GigaBit en 1/10 s sur 3000 km

4 µm !!!

Seule le laser permet de faire entrerla lumière dans un guide d’onde

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LES FRONTIERES:

Les nouvelles longueurs d’ondeLes atto-secondesLes oscillateurs paramétriques optiquesLes cristaux photoniquesLa nano-optique….

21

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10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz 1 THz 10 THz 100 THz 1 PHz

30 m 3 m 30 cm 3 cm 3 mm 300 µm 30 µm 3 µm 300 nm

HF VHF UHF P L S C X Ku K KaW THz SWIRLWIR NIR UV

Radio et hyperfréquences Optique

4 eV 40 neV 0.4 µeV 4 µeV 40 µeV 0.4 meV 4 meV 40 meV 0.4 eV

Une terra incognita: les térahertz

Vue téraHertz d’un porteur de couteau (Jepherson Lab)

Peau

, tis

su

Intensité

distance≈ λ ≈ 1 mm

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Les atto-secondes (0,000000000000000001 s)

duré

e (

seco

nde)

1960 1970 1980 1990 2000

10–6

10–9

10–12

10–15

Année

Electronique

Optoélectronique

Un électron met 150 attosecondes pour faire le tour de l’atome d’hydrogène