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: ra

- processus à la base des photodétecteurs

b- Recombinaison d’une paire e-t: processus d’émission spontanée:

- taux d’émission spontanée: rsp

- processus à la base des DEL

c- Recombinaison par émission stimulée:

- taux d’émission stimulée: rst

- processus à la base des lasers

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)=I0 exp( x) avec = gain > 0

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.

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 Eg et Efc- Efv (condition de Bernard-Durrafourg).

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): Ef dans la bande de conduction (n) et Ef 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: Efc est au niveau de la bande de conduction de la région (p).

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 fc(E)

- Quasi niveau Efc= Ec + ħ2/2mc (3 2n)2/3

Les trous dans la B.V. sont en équilibre entre eux:

- Fonction de Fermi pour les trous fv(E)

- Quasi niveau Efv= Ev - ħ2/2mv (3 2p)2/3

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.

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.

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.

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 jT).

- Confinement optique: indice de GaAs > indice des barrières, donc la structure se comporte comme un guide (de l’ordre de