le monde quantique au quotidien: l’opto...
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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?
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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 découvre 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 »
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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
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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
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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
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Louis de Broglie découvre queles 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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Banded’énergies interdites
1930
Wigner, Seitz, Bloch décrivent la structure de bandes des solides
énergie
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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
Banded’énergies interdites
Bande de
valence
Bande de
conduction
énergie
=
Wolfgang Pauli
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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
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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
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Le puits quantique (2)
1
2
AlGaAs AlGaAsGaAs
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LA DETECTION QUANTIQUE:
L’effet photovoltaïqueLes détecteurs infrarougeLes caméras CCDLes cellules solaires
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transition inter-sousbande
BC
PHOTO-DETECTION QUANTIQUE
photoémission internetransition interbande
BV
BC
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n
p++
EFFET PHOTOVOLTAIQUE
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Exemple 1: MATRICE CCD
Paquet d’électronsphotocréés
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
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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
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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
1×107
2×107
3×107
4×107
Wêm 2̂.µm
Spectre solaire
Rendement de conversiondans Si
Courant maximal : 150 W/m2
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LES EMETTEURS DE LUMIERE:
Diodes électroluminescentesDiodes lasers
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LA DIODE ELECTROLUMINESCENTE (LED)
n
p++
AlGaAsN
AlGaAsP
GaAs
LED : 1 électron → 1 photonsoit 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
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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 GaN
1980 : 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
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Amplificationoptique
L’EMISSION STIMULEE
Absorption Émissionspontanée
Émissionstimulée
Albert Einstein1917
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MiroirMiroir
Amplificateur optique
L’OSCILLATION LASERIn
tens
itéde
l’on
de
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LE LASER A SEMICONDUCTEUR
n
p
John von Neuman1952
AlGaAsP
AlGaAsN
GaAs
General electric1968
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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
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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/ cm2
Encyclopédia Univ. 0.6 m2 0.15 m2
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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 entrer la 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….
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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 eV40 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(s
econ
de)
1960 1970 1980 1990 2000
10–6
10–9
10–12
10–15
Année
Electronique
Optoélectronique
Un électron met 150 attosecondespour faire le tour de l ’atome d’hydrogène