Photodiodes

DEL et PHOTODIODES

PROPRIETES OPTIQUES DES SEMI-CONDUCTEURS

Absorption de photonsCoefficient d’absorptionValeurs usuelles

PHOTODIODES A JONCTIONSPrincipe de la photodétectionSensibilité, seuil de réponseTemps de réponseStructure PIN optimiséePhotodiode à avalanche PDA

LA DELEmission spontanéePrincipe de fonctionnementEfficacité quantique externeSpectre d’émission

ABSORPTION INTERBANDESGENERATION OPTIQUE DE PAIRES ELECTRON/TROU

CHOC ELECTRON - PHOTONConservation de l’énergie

EFFET DE SEUIL

Conservation de la quantité de mouvement

Photon :

Electron :

photonincident

2 1h E Eν = −

gh Eν ≥2 1w h E Eν= = −

CE

VE

électronsE

gE

1E

2E

Niveaux d’énergieremplis d’électrons

Niveaux d’énergievides d’électrons

Diagramme d’énergie d’un semi-conducteurintrinsèque à l’équilibre

électron libre

trou libre2

2 pkh hp kπλ π λ

= = = h

( )2 1ek k k∆ = −h

2 1 phk k k− =

1,24( )( )s

g

mE eV

λ µ =

GAP DIRECT ET GAP INDIRECT

Matériaux à « gap direct »Semi-conducteurs composés III-VGaAs, InP, GaN et dérivés.Semi-conducteurs composés II-VIForte probabilité de transition

électronE

Matériaux à « gap indirect »Semi-conducteurs simples Si, GeNécessite la participation d’un (ou plusieurs) phononFaible probabilité de transition

0e phk k∆e phk k∆

Bande de conduction

Bande de conduction

Bande devalence

électronE

Bande devalence

ABSORPTION OPTIQUE

Le nombre de photons diminuePuissance optique à l’abscisse x

Diminution du nombre de photons entre x et x+ dx

Décroissance exponentielle

Profondeur de pénétration

distance

P(x)

Nνmatériauabsorbant

( ) ( )P x N x hν ν=P0

x0 x x dx+dN N dxν να= −

( )0( ) expN x N xν α= −

( )0( ) expP x P xα= −

1δα

=x

P0

1/α

P(x)

0Pe

Décroissance exponentielle de la puissance optique dans un milieu absorbant

COEFFICIENT D’ABSORPTION OPTIQUE DE QUELQUES MATERIAUX SEMI-CONDUCTEURS

Largeur de bande interdite (eV)

Longueur d’onde (µm)

DEL et PHOTODIODES





CARACTERISTIQUES D’UNE PHOTODIODE

1. SENSIBILITE SPECTRALEDomaine d’utilisation : ultraviolet, visible, infra-rougeDéfini par la largeur de bande interdite du semiconducteur

2. TEMPS DE REPONSETrès court pour conversion optoélectronique de signaux rapides

1. DETECTIVITEAptitude à détecter des signaux de faible puissancedépend du bruit de photo-génération et de l’environnement.

Jonction PN à l’équilibre

Accepteurs ionisésfixes dans le réseaucharge – q

+ + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -

int erneErRégion P neutre Région N neutre

Donneurs ionisésfixes dans le réseaucharge + q

Zone désertéepar suite des

RECOMBINAISONSdes porteurs libres(électrons et trous)

PRINCIPE DE PHOTODETECTIONPolarisation inverse

Efficacité quantique apparente

s inC

aph

N paires collectéesN photon cidents

η =

phC

IN

q=

i iph

P PNh hc

λν

= =

pha

i

I hcP q

ηλ

=

Sensibilité spectrale S

/ph

i

IS unité A W

P=

aqShcλη=

zone désertée w

P N

Er

CCV−

phI

iPhν

Réflexionsface avant

R

x

P(x)( )0 1iP P R= −

Absorption des photons dans le matériau

0 d d+w

-+-

CARACTERISTIQUE I – V

V

i

0iD

obscuritééclairement Pcroissant

Pi

+VC

RC

phI

VB

POLARISATION INVERSEMODE PHOTOCONDUCTEUR

POLARISATION DIRECTE

MODE PHOTOVOLTAIQUE

ph iI SP=AVALANCHE ELECTRONIQUE

PHOTODIODE A AVALANCHE0I

MI

MODEPDA

0

MIMI

=

M fonction de V

( )1

1 nB

MV V

=−

REPONSE A UNE IMPULSION OPTIQUEDiffusion et transit des porteurs

( )optP t

( )phI t t

t

Réponse lente :diffusion desporteurs

Diffusion des électrons dans la couche frontale :

Lente devant la dérive sous champ Edans la zone désertée éviter l’absorption de photons dans cette région.

Temps de transitLes porteurs sont collectés en limite de la zone désertéeLe temps de réponse est proportionnel au temps mis pour parcourir toute la distance w

P N

+ -Er

w

TEMPS DE TRANSIT à travers la zone désertée

Vitesse de dérive des porteurs sous champ E (zone désertée)

Dépend de la valeur du champ électriquePour E > Elim = 2 104 V/cm

temps de transit :proportionnel à wMinimum si v = vsat

Il faut

510 /satv m s

Er

limE E>r r

LA STRUCTURE PN EST TRES MAL ADAPTEE

PHOTODIODE PIN

Photons Couche anti-refletsélimine les pertes par réflexion

p+

couche intrinsèque ou faiblement dopée N-

CV−

N

I

Champ électrique

épaisseur wipar construction

épaisseur d faible(réduit l’absorption)

imE E>r r

Champ électrique : C

i

VEw

vsat = 105 m/s Temps de transit :

+++++++++++++++++++++++++++++++

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - --

O

Le champ électriqueest quasi-constant dansla zone désertée

x

(Ex : wi = 1 µm, E > 2.104 V/cm; VC > 2 V

10 /tsat

w ps mv

τ µ= =

TEMPS DE REPONSEEffet capacitif

Capacité de transition :Condensateur plan, A est l’aire de la jonction

Fréquence de coupure à – 3 dB

Application :

+VC

RC

phI

RC

Schéma équivalent petit signal

Ct

( )0 cosP P P tω= + ∆

( )phi ω u Zi=

0 rt

i

ACw

ε ε=

12C

C t

FR Cπ

=

2 9 2; 25 ; 1,96 10A r r m A mπ µ −= = = ×

11; 50 ; 1r C iR w mε µ= = Ω =

0,2C pF=

16CF GHz

PHOTODIODE PIN A HETEROJONCTION

Photons Couche anti-reflet

p+

CV−

N

I

Absorption optique uniquement dans la couche à petit gapSuppression des pertes dans la couche frontaleSuppression de la composante lente de courant de diffusion

Couche « petit gap » EG2 absorbante pour hν > EG2

Couche grand gap EG1 :transparente pour hν < EG1

imE E>r r

+++++++++++++++++++++++++++++++

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - --

EG1

EG2

Grand gap EG1EG1

Bandes d’énergie

PIN A HETEROJONCTION POUR TRANSMISSIONS A 1,55 µm

Couche d’absorptionpetit gap : GaInAs.EG2 = 0,75 eVλs = 1,65 µm

n+

n

Contact supérieur

Technologie Mésa :Structure en relief obtenuepar gravure chimique

Contact inférieur

Couches N grand gaptransparentes en InPEG1 = 1,35 eVλs = 0,92 µm

résineepoxy

Couch InP type P

Fibre optique d’éclairage(Illumination par l’arrière)

Utilisable dans le domaine 0,92 µm < λ < 1,65 µm

STRUCTURE « GUIDE D’ONDE »

faible absorption optique 0S ⇒Diminuer wiRéduire le temps de transit

Augmentation de la capacité

Diminuer l’aire de la jonctionRéduire la capacité

P+

N

Grand gap – indice n2 < n1

Grand gap

wi < 0,5 µm Photodiode à illuminationpar la tranche

GUIDE D’ONDE RECTANGULAIRE – Aire de la jonction : 2 µm x 200 µm

PHOTODIODE A AVALANCHE

Structure de base de la diode PIN, utilisée dans la zone d’avalanche

Temps de réponse comparable à celui de la PIN

Bénéficie d’un gain interne au détriment du rapport Signal à Bruit

Adaptée aux télécommunications optiques lorsque le rapport S/B est limité par le bruit d’amplification.

AVALANCHE ELECTRONIQUE (ionisation par impact)

Si Si

Si Si

e- initiale- initial

1er e- libéré 2d e- libéré

Ionisation par impact si l’énergie cinétique de l’électron est supérieure à EG

• Multiplication des porteurs dans la zone désertée augmentation du courant

Le champ E dans la zone désertée croit en fonction de la tension V :Avalanche pour E > Ecrit

Si : 3.105 V/cm ≤ Ecrit ≤ 106 V/cm

A B

Ctype P

type N

O X

électron

trou

w

EF

Ee

Er

zone désertée

RqV

cin Ge > E

λ

FACTEUR DE MULTIPLICATION

( )1

1 nB

MV V

=−

n = 3

0,9 0,95 1Tension appliquée (V/VB)

Fact

eur M

Variation du facteur de multiplication en fonction de la tension dans le cas du Si

PROPRIETES DE QUELQUES DETECTEURS INFRAROUGE

Fenêtre Première Deuxième et troisième

Matériau Si Ge GaInAs HgCdTe

llim (µm) 1,0 1,6 1,7 1,7 à 2,2

Smax (A/W) 0,6 0,7 0,8 0,9

iD (nA) 1 à 5 500 1 à 5 10

En avalanche:VB (V)

100 à 200 25 100 à160

100

gain max M 100 10 20 30

exposant α* 0,5 1 0,7 0,5

*Le facteur d’excès de bruit est donné par : ( )F M M α

DEL et PHOTODIODES





EMISSION SPONTANEE DE PHOTONSDANS UN SEMI-CONDUCTEUR A GAP DIRECT

Semi-conducteur « hors d’équilibre »Ex : zone de transition d’une jonction PN en polarisation directe.

TAUX DE RECOMBINAISONSτn est la « durée de vie »Unité s-1 m-3

TAUX D’EMISSION SPONTANEE

ηi efficacité quantique interne

Semi-conducteurs à « gap direct »ηi est voisin de l’unitéRecombinaisons RADIATIVES

Semi-conducteurs à « gap indirect »NON RADIATIF (ηi = 0)

Diagramme d’énergie d’un semi-conducteur hors d’équilibre

2 1 gh E E Eν = −

Niveaux d’énergievides d’électronsou TROUS densité p

Niveaux d’énergieélectronique occupésdensité n

CE

VE

électronsE

1E

2E n

nRτ

=

sp in

nR ητ

=

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Diagramme de bandes d’énergie :injection de porteurs en polarisation directe

Recombinaisons radiativesélectrons/trous et émissionspontanée de photons.RéabsorptionTransmission

ZDR : zone de diffusion –recombinaison

P N+

qVEF

EF

trous

électrons

+ + + + ++ + +

- -- - - -- - - - -- - - - - - -- - - - - - -- - - - - -

+ +

P N+

ZDRd’électrons

Ré-absor-ption

ECEV

+

-

électronsTrous

ZDR des trous

photons

TransmissionF = 1,3 %

AIR

hν+-

Diffusion-recombinaison

Diffusion-recombinaison

+-

EFFICACITE QUANTIQUE EXTERNE : F

DEFINITION

HYPOTHESES DE CALCULEmission isotrope (4π stéradians)Ré-absorption négligeableϕc petit

EXEMPLE NUMERIQUE : ns = 3,6; n0 = 1ϕc = 16 degrésF = 1,3 %

0sin cs

nn

ϕ =

CONE DE SORTIEDemi angle au sommet ϕc

Nombre de photons transmisFNombre de photons produits

=

( ) ( )2

011 14 4

C

s

nF R Rnπ

⎛ ⎞Ω= − = −⎜ ⎟

⎝ ⎠

Angle solide (ϕc peit)

22C cS

dπϕ∆

Ω =

+-

cϕ1ϕ

semiconducteur

Milieu externe

sn

0 sn n<

Réflexiontotale

1 cϕ ϕ>

1 cϕ ϕ< Transmission

R

1T R= −

EXEMPLE DE REALISATION

résineépoxy

Electrodes

1,5pn

0n

0,035F

Dispositifs d’affichage :Amélioration de l’efficacité quantiquepar encapsulation dans un dôme en plastique

PROPRIETES DU RAYONNEMENT

1

2

3

4

5

6

3 4 5 6

AlN

GaN

InN

Gap direct

Gap indirect

MgS

MgSeZnS

AlP ZnSe

GaP AlAs

GaAsInP

CdSe

Paramètre de maille (Ä)

Ener

gie

(eV)

Saphir

SiC

Nitrures

Les II-VI

LONGUEUR D’ONDE D’EMISSION SPONTANEE

électronsE

Limite basseénergie duspectre :

hν = EG

Emissionsà

plus hauteénergie

GE

2E

1E

niveaux d’énergie occupés

par les électrons

niveaux d’énergie occupés

par les trous

SPECTRE LARGE

EMISSION INCOHERENTE

5THzν∆ ≈

SPECTRES D’EMISSION SPONTANEE

longueur d’onde (µm)

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