Cours

Pages: 125 (31137 mots) Publié le: 8 octobre 2012
PHYSIQUE DES SEMI-CONDUCTEURS II

Applications Spéciales

(Phys 233) Marc Haelterman Service d'Optique et d'Acoustique Faculté des Sciences Appliquées Université Libre de Bruxelles

Avant Propos --------------Ce cours a pour but d'enseigner les éléments de base de la physique des interactions lumière-matière dans les semi-conducteurs et de présenter leurs applications les plus courantesdans le domaine de la génération et de la détection de lumière. Puisque, d'une part, le cours s'adresse à des étudiants de formations variées et que, d'autre part, la physique des semiconducteurs fait appel à des notions de mécanique quantique élaborées, il m'a fallu débuter le cours avec un rappel des notions élémentaires de la physique des semi-conducteurs et du rayonnement électromagnétique.L'exposé de ces notions a été volontairement simplifié (parfois au dépend de la rigueur scientifique) de façon à établir le meilleur compromis entre le temps qui y est consacré et une bonne compréhension du cours. De même, le cours dans sa globalité est conçu de manière à développer une bonne compréhension des mécanismes physiques qui sont à la base des applications optoélectroniques dessemi-conducteurs. Une importance particulière est donc donnée au contenu physique des développements théoriques plutôt qu'à leur aspect mathématique. Pour cette raison, les développements théoriques sont, parfois au detriment de leur rigueur, fortement simplifés par rapport à ceux rencontrés dans la plupart des livres traitant de l'optique des semi-conducteurs. Le cours est structuré selon un fil conducteurdont la logique permet de mettre en évidence l'énorme progrès réalisé par l'homme dans le domaine de la maîtrise de la lumière. Le cours passe, en effet, progressivement de la description des sources de rayonnement thermique aux sources laser à semi-conducteur. Ces dernières constituent les sources de lumière les plus performantes aussi bien du point de vue de leur rendement que pour la qualité deleur rayonnement. C'est, en particulier, grâce aux lasers à semi-conducteur que les télécommunications optiques (dont on connaît l'importance aujourd'hui) ont pu être développées. L'atout majeur des télécommunications optiques est qu'elles sont basées sur la transmission de données par modulation d'une onde porteuse dont la fréquence est extrèmement élevée (~1015Hz) et permet donc d'atteindre destaux de transmission inaccessibles aux techniques classiques (ondes hertziennes ou microondes). Ainsi, en ce qui concerne les applications, la motivation principale de ce cours est de montrer comment la connaissance et la maîtrise des cristaux semiconducteurs ont permis la réalisation de générateurs et détecteurs de telles ondes porteuses pour les télécommunications.

février 1998

MarcHaelterman

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1. INTRODUCTION
Ce chapitre est divisé en deux parties. La première donne une introduction aux télécommunications optiques. Sont but est de montrer que le laser à semi-conducteur constitue le dispositif de base des télécommunications optiques. Cette première partie permet ainsi de motiver le cours en montrant que la maîtrise des matériauxsemiconducteurs est à l'origine des télécommunications modernes. La deuxième partie est consacrée à un rappel des principes de base de la physique de semi-conducteurs. Nous passons brièvement en revue les modèles de l'électron libre et de l'électron quasi-libre d'un cristal. Ceci nous permet d'introduire les concepts de base de la physique des semi-conducteurs tels que la structure de bande desdiagrammes d'énergie. Des notions, utiles pour la compréhension des interactions lumière-matière, telles que la densité d'états électroniques par unité de volume et d'énergie sont également revues.

1.1 Introduction aux télécommunications optiques
Les télécommunications à fibre optique ont été développées à un rithme croissant depuis maintenant plus de 20 ans. La maturité de cette nouvelle...
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