Du phénomène quantique au dispositif macroscopique : transport electronique dans les détecteurs inter-sousbandes

From quantum phenomenon to macroscopic device, electronic transport in inter-subband detectors

• Auteur / Autrice : Alexandre Delga
• Direction : Vincent Berger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique [théorique]
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Puits quantiques

Mots clés libres

Transitions intersousbandes

Résumé

Les applications de thermographie et de spectroscopie pour la détection de gaz motivent la conception de détecteurs infrarouges (3-20μm) hautes performances. Parmi eux, les détecteurs à cascades quantiques (QCD) sont des composants unipolaires photovoltaïques, dans lesquels la transduction s'effectue au sein de puits quantiques nanométriques sur des temps caractéristiques de l'ordre de la picoseconde. Ces travaux de thèse ont porté sur la compréhension du transport électronique dans ces structures. Ils consistent à organiser le continuum d'échelles spatiales et temporelles qui relient le phénomène quantique microscopique au dispositif macroscopique. Dans un premier temps, nous avons mis en évidence les limitations des modèles semi-classiques pour comprendre les grandeurs liées au signal (courant, réponse) : ils négligent les temps caractéristiques liés aux phénomènes de cohérence. Une hybridation de ces modèles avec un formalisme de matrice densité sera proposée et discutée. Dans un second temps, nous avons montré que le bruit peut et doit être compris à la même échelle de temps caractéristique que le courant. Un traitement rigoureux du passage micro-macro permet de montrer que les bruits thermique et de grenaille, loin d'être les sources indépendantes que l'on suppose usuellement, sont en fait les visions aux temps courts et aux temps longs de la diffusion de charges quantifiées. Une réflexion sur les potentialités principales de la filière QCD est menée dans un dernier temps.

The development of high performance infrared (3-20μm) detectors is driven by technological applications such as thermography and spectroscopy for gas sensing. Among them, Quantum Cascade Detectors are photovoltaic unipolar devices where the transduction happens in nanometric quantum wells and on picosecond timescales. This Phd thesis deals with the modelling of electronic transport in these structures. The aim is to organize the continuum of time and length scales that span from the quantum phenomenon to the macroscopic de vice. In a first part, we underline the main limitations of semi-classical models to understand the quantity related to the signal (current, responsivity): they neglect the characteristic time of coherent phenomena. A hybridization of these models with a density matrix formalism is proposed and discussed. In a second part, we showed that noise can and must be understood on the same timescale as the current. A rigorous treatment of micro-macro articulation reveals that shot and Johnson noises, far from being independent as usually considered, are indeed the short time and long time limit visions of thé scattering of quantized charges. At last, the main potentialities of the QCD are discussed.