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1 DISPODITIFS OPTOELECTRONIQUES Généralités La lumière est la source principale

1 DISPODITIFS OPTOELECTRONIQUES Généralités La lumière est la source principale de la vie, elle est la source principale de l'énergie de la nature sans elle la vie n'est pas possible. Il existe rois théories pour décrire sa nature: • La théorie de Newton dit que la lumière se propage de façon rectiligne et à grande vitesse. • La théorie des ondulations soutient que la lumière consiste à l'énergie propagée dans un milieu sous forme d'onde électromagnétique. C'est ce qui expliquerait le phénomène de réflexion ou de réfraction et d'interférence. • La théorie corpusculaire dit que la lumière est composée de particule d'énergie appelée photon. Dans les trois théories une constante apparaît h=6,62x10-34 ; c=6x108 ; E=hv h: constante de Planck v: fréquence de l'onde. Spectre électromagnétique L'optoélectronique est la science qui associe l'optique à la technologie de l'électronique. Elle est très récente (1960). La découverte de la technologie des semi-conducteurs et des LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) a permis à l'optoélectronique de passer de la théorie à la pratique. A l'optoélectronique on se soucie à la partie du spectre optique qui se situe de l'ultra violet à l'infrarouge en passant par le spectre visible. Le rayonnement d'une source lumineuse se définit comme une émission de particule comportant plusieurs radiations élémentaires. Si on envoie sur un prisme de vers un rayon lumineux on distingue une décomposition, ce dernier en différentes allant du violet au rouge. 2 Une lumière est dite monochromatique lorsqu'elle n'est constituée d'une seule radiation. Une lumière complexe se disperse grâce au phénomène de la dispersion en plusieurs lumières monochromatique. Le spectre électromagnétique est formé de trois parties: • Les ondes ultraviolettes • Les ondes visibles • Les ondes infrarouges On utilise l'infrarouge dans beaucoup d'application telles que les alarmes, la communication, la médecine. 3 Quelques définitions • Flux lumineux: c'est la quantité de lumière émise par unité de temps, il est exprimé en lumen (lm) ; ø=QL/t • Eclairement lumineux: c'est le rapport entre le flux lumineux émis par une source et l'air de la surface qui reçoit ce flux. Il est exprimé en lux (lx) ; E=ø(lm)/S(m2) • Intensité lumineuse: c'est le rapport entre le flux lumineux ø d'une source qui illumine une surface dans une direction donnée et l'angle solide de la source avec l'aire de détection, la source étant un point. Angle solide: angle ayant son sommet au centre d'une sphère et découpant sur sa surface une aire égale à celle d'un carré qui aurait pour côté le rayon de la sphère exprimé en stéradian (str) Intéraction Lumière matériau Objectif(s) Savoir ce que sont des spectres d’émission et d’absorption. Maîtriser la notion de photon. Connaître la quantification des niveaux d’énergie de l’atome. Savoir utiliser les diagrammes d’énergie pour décrire l’émission et l’absorption des photons. 1. Approche expérimentale : les spectres de raies a. Spectre d'émission Un gaz confiné dans une enceinte hermétique est soumis à des décharges électriques. Le gaz produit alors un rayonnement, qui est envoyé sur un prisme pour le décomposer et obtenir son spectre. Celui-ci est composé de raies brillantes. 4 Le spectre obtenu est nommé spectre d’émission du gaz étudié. Il est différent d’un gaz à l’autre. b. Spectre d'absorption Un gaz contenu dans une enceinte est éclairé par une lumière blanche puissante. La lumière transmise par le gaz est envoyée sur un prisme pour obtenir son spectre. Celui-ci se présente comme le spectre de la lumière blanche (bandes continues), mis à part la présence de raies sombres, nommées raies noires, ou raies d’absorption. Le spectre obtenu est le spectre d’absorption du gaz. Comme pour le spectre d’émission, il change d’un gaz à l’autre. 2. La théorie Avant de pouvoir interpréter les spectres d’émission et d’absorption, il convient de voir certains aspects théoriques. a. Le photon Deux modèles distincts existent pour décrire la lumière : • le modèle ondulatoire (la lumière est une onde) • le modèle corpusculaire (la lumière est un faisceau de particules). En fait, la lumière est à la fois une onde et un faisceau de particules. Dans le modèle corpusculaire, les particules de lumière sont nommées photons. Chaque photon a une énergie qui est donnée par la relation de Planck : L’énergie E du photon est en Joule. Le terme h est la constante de Planck avec . est la fréquence de la radiation considérée, et par extension la fréquence du photon. Elle s’exprime en Hertz. En introduisant la longueur d’onde , où c est la célérité de la lumière, on établit la formule : Dans le vide, . b. Diagramme d'énergie des atomes Si en mécanique classique l’énergie d’un système physique peut plus ou moins être quelconque, ce comportement ne se vérifie pas à l’échelle de l’atome. En effet, l’ensemble formé par le noyau de l’atome et ses électrons forme un système ne pouvant être que dans 5 certains états d’énergie. C’est la quantification des niveaux d’énergie, décrite par la mécanique quantique. Afin de représenter les niveaux d’énergie d’un atome, on fait appel à des diagrammes d’énergies. Ci-après le diagramme simplifié d’un atome de lithium : L’état le plus bas est appelé état fondamental ; les autres sont des états excités. Les états d’énergie sont conventionnellement d’énergies négatives, et repérés par des numéros : , etc. Les diagrammes ne sont pas les mêmes pour deux atomes (éléments chimiques) différents. Le diagramme d’énergie d’un atome est ainsi sa « carte d’identité ». Dans la pratique, les énergies des différents niveaux sont exprimées en électron-Volt, qui est une unité plus adaptée que le Joule à l’échelle de l’atome. Le passage d’une unité à l’autre s’obtient par la relation : 3. Interprétation des spectres d'émission et d'absorption a. L'émission d'un photon Dans le cas du spectre d’émission, les décharges électriques ont pour effet de mettre les atomes dans des états excités. Peu de temps après, ils vont revenir sur le niveau le plus bas. En faisant cela, ils perdent de l’énergie, qui se matérialise sous la forme de photons émis. 6 Dans l’exemple du schéma, le photon résultant de la transition a une énergie . Si l’atome permet plusieurs transitions différentes, ce qui est le cas dans la réalité, il y aura ainsi quelques longueurs d’onde différentes émises, ce qui constituera le spectre de raies brillantes. b. Absorption d'un photon Un atome peut absorber un photon si celui-ci possède exactement l’énergie requise pour passer à un état d’énergie supérieure. Dans le croquis ci-dessous, le photon est absorbé parce qu’il a exactement l’énergie requise . Pour le spectre d’absorption, l’exposition du gaz à de la lumière blanche fait que les photons incidents vont présenter toutes les longueurs d’onde du visible. Seuls ceux qui pourront provoquer une transition vers un état plus élevé seront absorbés. Ils seront certes réémis par désexcitation, mais dans des directions aléatoires autres que la direction incidente. Ceci explique le spectre d’absorption trouvé, constitué de raies noires. L'essentiel Dans le modèle corpusculaire, la lumière est assimilée à un faisceau de particules, les photons. L’énergie E d’un photon est donnée par la relation : Avec , . Aussi, est la fréquence et la longueur d’onde de la radiation considérée. A l’échelle de l’atome, l’électron-volt est une unité d’énergie plus adaptée que le Joule. Les atomes ne peuvent occuper que certains niveaux d’énergie. Cette propriété fait qu’un atome dans un état d’énergie peut passer à un état d’énergie plus faible en émettant un photon d’énergie . De la même manière, un atome peut passer d’un état d’énergie à un niveau d’énergie plus forte s’il absorbe un photon d’énergie . 7 Composants de l'optoélectronique Les photoémetteurs (Diode Electroluminescente: DEL ou LED) Les DEL émettent une radiation électromagnétique lorsqu’elles sont polarisées en direct pour favoriser la récombinaison. Leur longueur d'onde d'émission dépend du matériau. Leur usage est très rependu et leur principaux avantages sont basse température de fonctionnement haute stabilité mécanique insensibilité aux vibrations et au choc, faible consommation, compatibilité TTL Matériau de fabrication des DEL est Arséniure de gallium 8 Application: Pour les DEL infrarouges, elle veut être photo émetteur pour les barrières mobiles, les photo coupleurs. Pour les LED éléments d'affichage numérique. Diodes Lasers Principoe de fonctionnement L'émission lumineuse est basée sur le phénomène de l'électroluminescence qui comprend l'émission d'un photon par recombinaison d'une paire électron-trou et le peuplement de la bande de conduction par injection d'un courant. La longueur d'onde d'émission 2 est donnée par l'application du principe de conservation de l'énergie : celle du photon sera approximativement égale à la largeur de la bande interdite du matériau. Un autre principe incontournable de la physique est la conservation du moment lors d'une recombinaison ou d'une absorption ; cela entraîne la nécessité d'utiliser des matériaux dits « à gap direct » : le minimum de la bande de conduction est à la verticale du maximum de la bande de valence dans l'espace des moments. L'arséniure de gallium (GaAs) possède cette propriété et fut le premier utilisé avec succès. On l'appelle un composé binaire III-V car Ga appartient à la colonne III du tableau périodique des éléments uploads/Philosophie/ cours-dispositfs-optoelectronique-l3-electronique.pdf