L'optoélectronique est l'étude des composants qui émettent, modulent ou détectent le signal lumineux. C'est une branche de l'électronique, utilisant les interactions électronique et optique de la matière, essentiellement dans les matériaux semi-conducteurs.
Nous allons nous intéresser à ces composant de plus près, tellement près qu'ils ne sont plus régis que par quelques lois de la physique classique. A ce niveau, c'est plutôt les propriétés quantiques de la matière qui sont utilisées.
 1. Structure d'un cristal et énergie des électrons. |
Dans un solide cristallin, les électrons occupent des états quantiques ayant
la symétrie du cristal. Chacun de ces états est caractérisé par une énergie et
l'ensemble des énergies accessibles par les électrons est appelé le spectre.
Les électrons les moins énergétiques appartiennent à une bande d'énergie
appelée bande de valence. Ceux qui ont le plus d'énergie appartiennent à une
autre bande d'énergie appelée bande de conduction.
Les électrons appartenant à la bande de valence sont utilisés dans la cohésion
du cristal. Les moins énergétiques restent autour de l'atome, les plus
énergétiques sont utilisés dans les liaisons covalentes.
Ceux étant dans la bande de conduction sont aussi appelés " électrons libres "
et sont responsables de la circulation de l'électricité car ils peuvent être
accélérés par un champ magnétique.
Dans un cristal, les atomes sont disposés régulièrement, et sont espacés par
du vide. C'est une des caractéristiques du cristal. Cette distance est de
l'ordre de 5 angström ( m)
De plus, nous devons savoir que les électrons
vibrent comme une onde et ont donc une longueur d'onde. C'est le caractère
ondulatoire de la matière affirmé par Louis de Broglie en 1924. Cette relation
est :
Avec :
la longueur d'onde (m)
h la constante de Planck (J.s)
E l'énergie (ici d'un électron) (J)
c la vitesse de la lumière (m. )
Si cette longueur d'onde est supérieure ou inférieure que la distance inter
atomique du cristal, l'électron peut entrer librement dans celui-ci, par
contre, si sa longueur d'onde est très proche de cette distance, alors
l'électron entre en résonance et ne peut plus circuler dans le cristal. Chaque
longueur d'onde correspond à une énergie de l'électron, il y a donc une bande
d'énergie pour laquelle l'électron ne peut pas circuler dans le cristal, on
appelle celle-ci bande interdite. Elle est située entre la bande de conduction
et la bande de valence. En physique du solide, la bande interdite d'un isolant
ou d'un semi-conducteur est la différence entre le haut de la bande de valence
et le bas de la bande de conduction.
Lorsque la bande de conduction est partiellement remplie, le cristal peut
conduire le courant électrique. Il s'agit alors d'un métal. Lorsque la bande
de conduction est vide, le cristal est un isolant ou un semi-conducteur.
E
bande de conduction
bande interdite
bande de valence
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| 2. Utilisation des bandes d'énergie dans l'optoélectronique | Quand la bande de valence est entièrement pleine, la bande de conduction est vide et donc le courant ne peut pas passer. L'intérêt est donc de faire passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction pour que le semi conducteur puisse conduire le courant. L'absence d'électrons dans la bande de valence correspond à un " trou ". On le considère comme un élément positif. Il se déplace dans la direction opposée de l'électron correspondant.
Le problème est de faire passer l'électron d'une bande à l'autre. Il lui faut donc de l'énergie puisque la bande de conduction est plus énergétique. Cette énergie lui sera fournie par un photon. Il va percuter un électron de la bande de valence, lui transmettre son énergie et donc celui-ci va passer dans la bande de conduction. Mais comme l'électron ne peut avoir que des valeurs discrètes d'énergie il ne peut pas absorber n'importe quel longueur d'onde. Un photon avec une énergie trop faible ne sera pas absorbé. Au contraire quand l'électron se recombine avec le trou alors un photon est émis avec une longueur d'onde correspondant à l'énergie de la bande interdite.
Chaque matériau semi conducteur a une bande interdite d'une valeur différente. On va donc pouvoir adapter notre semi conducteur à nos besoins.
Voici un graphique basique qui nous indique la valeur de la bande interdite ainsi que la distance inter atomique des semi conducteurs.
Connaître la distance inter atomique est intéressant car ainsi on peut savoir quels cristaux on pourra associer. Deux semi conducteurs avec des distances inter atomiques trop différentes ne pourront pas s'associer puisque l'on travaille à l'échelle atomique. Par contre on pourra mélanger du AlAs avec du GaAs car la distance entre leurs différents atomes est à peu près la même.
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| 3. Dopage de semi conducteurs | On a vu ci-dessus qu'il faut un photon d'une certaine énergie pour déplacer un électron d'une bande à une autre. On peut faciliter le transfert de l'électron en dopant le semi conducteur. Ceci est valable aussi pour un semi conducteur situé dans l'obscurité. Il y a deux types de dopage : le dopage de type N (Négatif) et le dopage de type P (Positif).
Il faut remarquer que le semi conducteur le plus utilisé est le silicium. Un atome de silicium a 4 liaisons covalentes. On intègre alors un atome de phosphore par exemple. Cet atome a 5 liaisons covalentes. Cet atome va aller dans le cristal et va remplir les 4 liaisons demandées par le silicium. Il reste donc un électron en trop et il va donc se situer dans la bande de conduction. Ceci est valable pour tous les atomes faisant 5 liaisons covalentes.
On intègre aussi dans le silicium un atome de bore. Celui-ci ne présente que 3 liaisons, il va donc manquer un électron, ce qui va créer un trou qui va aller dans la bande de valence. Ceci est valable pour tous les atomes ayant le même nombre de liaisons que le bore.
Chaque atome dopant va se ioniser. Les électrons et les trous se trouvant à proximité vont se recombiner, ce qui va créer un champ électrique.
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| 4. Un phénomène très utilisé : le puits quantique | Le puits quantique correspond à un puits de potentiel dans lequel sont piégés les électrons.
On dit d'un électron qu'il est confiné à l'intérieur du puits si il n'a pas assez d'énergie pour pouvoir en sortir. Pour fabriquer un puit quantique il suffit d'intercaler plusieurs couches d'éléments différents où les électrons n'auront pas la même énergie potentielle. Par exemple les électrons de l'arséniure d'aluminium (AlAs) ont une énergie potentielle supérieure aux électrons de l'arséniure de galium (GaAs).
On place donc une couche de GaAs entre deux couches de AlAs et nous avons notre puits quantique.
AlAs GaAs AlAs
Plus la largeur du puits est grande plus il faudra d'énergie pour pouvoir en faire sortir un électron. Cet électron pourra aussi se fournir en énergie à partir d'un photon de passage.
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| 5. La photo détection quantique | Nous pouvons utiliser plusieurs méthodes pour détecter de la lumière. Nous avons vu précédemment que les photons à l'intérieur du semi conducteur permettent de créer des électrons dans la bande de conduction et des trous dans la bande de valence. C'est ce qui va permettre de conduire le courant. Il suffira de mettre une tension aux bornes du semi conducteur. Si celui-ci est dans l'obscurité, il ne conduira pas le courant puisque la bande de conduction sera vide. Au contraire, si on le met à la lumière, des paires électron-trou sont formées et le cristal devient conducteur. On peut rendre sensible le cristal à une certaine longueur d'onde en manipulant la valeur de la bande interdite. Un semi conducteur à bande interdite élevée sera sensible à des rayons à forte énergie et donc à faible longueur d'onde et inversement.
Nous avons vu aussi qu'un photon pouvait permettre à un électron de sortir d'un puits quantique et donc de passer dans la bande de conduction. Ainsi il peut conduire le courant.
Nous pouvons aussi utiliser un semi conducteur dopé. La présence de lumière créera d'autres paires électron-trou. Chaque électron et chaque trou vont se déplacer chacun de son coté et ainsi créer un courant électrique. Ce déplacement est dû au champ électrique. C'est l'effet photovoltaïque.
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| 6. Les émetteurs de lumière quantiques | Voici le principe de fabrication de photons à partir de semi conducteurs. Tout d'abord voyons le fonctionnement de la diode électroluminescente (DEL). On allie ici le puits quantique avec le dopage de semi conducteur.
Prenons une première couche de cristal. On le dope de type N il y a donc plein d'électrons. On appelle cette couche barrière. Ensuite prenons une autre couche de cristal, on le dope de type P, il y a donc plein de trous. Prenons un autre semi conducteur dont les électrons ont une énergie potentielle plus faible. Plaçons-la entre les deux couches déjà dopées.
N P
Recombinaison d'une paire électron-trou.
Lorsque le courant sera établi, les électrons et les trous plongeront dans le puits de potentiel. Là, ils se recombineront et un photon sera émis. La diode est beaucoup plus efficace que nos lampes actuelles puisque un électron donne un photon, d'où 1 ampère donne 1 watt alors que nos meilleures ampoules ont un rendement de 0.1.
Pour le laser c'est légèrement différent. D'abord Einstein découvre en 1917 l'émission stimulée. C'est-à-dire que nous avons un électron dans la bande de conduction, et un photon va stimuler son retour dans la bande de valence qui va émettre un autre photon qui va pouvoir stimuler un autre électron etc.
Donc un photon va en donner deux qui vont en donner quatre qui vont en donner huit etc.
Ensuite, nous allons prendre le même système que la DEL et le processus va s'accélérer. On met le tout entre deux miroirs partiellement réfléchissants, et on aura un faisceau d'une intensité lumineuse très importante et très précise.
Comme nous l'a fait remarqué le Professeur Rosencher, à partir d'une tension de seuil, tous les photons formés par le laser se dirigent vers ses deux extrémités avec un angle inférieur à l'angle limite par rapport à la normale. Ce qui limite les pertes.
Ces lasers sont les plus utilisés, c'est eux qui fournissent l'information aux fibres optiques. Ils lisent aussi tous les supports compacts (cd, dvd). De plus ils ont un rendement de l'ordre de 30% contrairement aux autres lasers qui ont eux un rendement de 3%.
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| 7. L'utilité de tous ces composants | Parmi les composants émetteurs de lumière, nous avons la diode électroluminescente et la diode laser. La diode électroluminescente va surtout être utilisée comme indicateur lumineux dans tous les appareils électroniques que nous avons autour de nous. Elle peut aussi être utilisée comme diode classique, comme témoin de passage du courant, dans les panneaux d'affichage, les feux routiers etc. son utilisation est très vaste.
La diode laser a une autre utilité. Elle a un faisceau unidirectionnel et très fin (de l'ordre du nanomètre). Elle va donc servir à lire les cd ou les dvd. Elle peut, et c'est une application qui est très importante, transmettre de l'information par le biais de la fibre optique. Le faisceau étant très fin, on peut en mettre plusieurs dans une même fibre et ainsi augmenter le débit d'une façon considérable. Ses autres utilisations sont aussi très nombreuses. Une diode laser peut servir dans les soudures car son potentiel énergétique est très important. On l'utilise aussi dans le milieu médical ou esthétique.
Parmi les composants récepteurs de lumière nous avons le phototransistor qui va nous être très utile dans l'application aux fibres optiques car c'est lui qui va réceptionner l'information et la convertir en électricité. La photodiode peut aussi être utilisée pour cette application mais elle a des propriétés légèrement différentes comme le temps de réponse ou la fréquence de coupure. On peut aussi l'utiliser pour savoir si il y a ou non de la lumière dans le milieu.
Les cellules photovoltaïques vont surtout être utilisées dans les panneaux solaires pour transformer l'énergie lumineuse en énergie électrique.
Les matrices CCD sont des composant optoélectroniques qui se rapprochent dans leur confection d'une jonction p/n. Elles sont partout notamment dans les appareils photo numériques. Elles sont constituées d'un rectangle de semi-conducteurs (million par million). Chaque semi conducteur reçoit de la lumière et confectionne des images.
On peut aussi fabriquer des détecteurs sensibles à une certaine longueur d'onde notamment les détecteurs infrarouges utilisés par l'armée et dans le milieu médical.
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