PHOTODÉTECTEUR 18/04/16. Sommaire PARTIE 7. Structure de base des photodiodes. Caractéristiques électriques. Caractéristiques optiques

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1 PARTIE 7 PHOTODÉTECTEUR S. FACI Sommaire Structure de base des photodiodes Caractéristiques électriques Caractéristiques optiques Circuits associés aux photodiodes

2 Photodétecteur? Un photodétecteur absorbe un faisceau lumineux et le convertit en un signal électrique => photocourant Différents types de photodétecteurs Détecteurs à photoconduction Variation de la résistance sous éclairement par création de paires électron/trou Mesure du photocourant par application d une tension Détecteurs photovoltaïques Variation de la réponse de la jonction de la diode et chaque électron libéré contribue directement au photocourant Mesure du photocourant en court-circuitant le composant Détecteurs à accumulation de charges (transistor MOS, capteurs CCD) Variation de la capacité Schottky où chaque électron libéré est stocké Mesure du photocourant en déchargeant le composant 3 Photodiode Structure Jonction PN polarisée Création de paires électrons-trous dans la ZCE par absorption de photons Création d un photocourant circulant entre les deux électrodes Polarisation en inverse préférable pour mieux détecter le photocourant 4

3 Photodiode Structure Mécanismes de génération optique Nombre de paires électrons-trous créés par seconde et par unité de volume d ( x, ) Gx (, λ) = φ λ dx avec Φ le flux de photons absorbés Ø 0 Ø 0 φ(x,λ)=φ t (λ) e α(λ)x semiconducteur α(λ) coefficient d absorption (cm - ) φ t =φ 0 ( R) x 0 x Ø 0 e -α x I φ0 = hν R coefficient de réflexion n R = n + Finalement : G(x,λ)=φ 0 α ( R)e αx 5 Photodiode Structure Polarisation en inverse Eclairement du coté P L épaisseur de la ZCE : w = ε ε! sc 0 + $ e # N A N & " D % V V b Efficacité quantique apparente η = N hν paires collectées/s C N ph photons incidents/s P i N C = J ph q = A I ph q N ph A = P i hν = Pλ i hc η = I ph P i hc eλ R Réflexions face avant 0 i ( ) ( ) P = P R P - P(x) V < 0 ZCE E + - N Sensibilité spectrale ou responsivité S = R = I ph P i = η eλ hc ( A /W ) 0 x p x n x 6 3

4 Photodiode Structure Responsivité des matériaux semiconducteurs 7 Photodiode Structure Equation de continuité n t = J n (x) (ne) n +G R e x n =µ n + D x n x +φ α e αx Δn τ n p t = e J p (x) x n = n 0 + Δn et p = p 0 + Δp ( pe) p +G R p = µ p + D x n x +φ α e αx Δp τ p Δn = Δp sont les photoporteurs Photocourant est la somme des photoporteurs créés Dans les régions neutres (courants de diffusion) Dans la ZCE formant un courant de photogénération j T = j s e ev j /k B ( T ) j ph 8 4

5 Caractéristique I-V Polarisation de la diode en inverse +V P i I ph I obscurité Éclairement R I ph = SP i 0 V I 0 Photodiode à avalanche Polarisation directe Mode photovoltaïque I M M = I M en fonction de la tension M = n VV 0 ( ) B I M Mode PDA Polarisation inverse Mode photoconducteur 9 Photodiode PIN Couche intrinsèque ou faiblement dopé N entre les couche P + et N Couche P + très fine afin de minimiser l absorption Champ électrique quasi-constant dans la zone intrinsèque : E V w Capacité de jonction : C i j = ε sc A / w i Temps de transit des porteurs : τ t = w i / v sat Pour w i = µm et v sat = 0 5 m/s à τ t =0 ps / µm Epaisseur w i Photons V - P E > E im I N x E Le champ électrique est quasi-constant dans la zone désertée 0 5

6 Photodiode PIN Eclairement de la photodiode Photodiode PIN à hétérojonction Absorption optique uniquement dans la couche à petit gap Suppression des pertes dans la couche frontale Suppression de la composante lente de courant de diffusion E G E G E G V Photons P E > E im I N Couche grand gap E G : transparente pour hν < E G Couche petit gap E G absorbante pour hν > E G Grand gap E G Bandes d énergie 6

7 Photodiode PIN à hétérojonction Utilisable dans le domaine 0,9 μm < λ <,65 μm Couche d absorption petit gap : GaInAs E G = 0,75 ev λ s =,65 µm Couche InP type P Contact supérieur n Technologie Mésa : Structure en relief obtenue par gravure chimique Couches N grand gap transparentes en InP E G =,35 ev λ s = 0,9 µm n + Contact inférieur résine epoxy Fibre optique d éclairage (Illumination par l arrière) 3 Photodiode à avalanche PDA 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/N est limité par le bruit d amplification Facteur M pour le cas du Si à Facteur M n = 3 M = V V B ( ) n 0,9 0,95 Tension appliquée (V/V B ) 4 7

8 Photodiode à avalanche PDA Zone de multiplication après la zone intrinsèque Processus d amplification par impact ionisant j La génération : g n = α n n e, α n = α # n exp E & n % $ E ( ' β n α n (cm - ) E n (V.cm - ) β n α p (cm - ) E p (V.cm - ) β p Caractéristique électrique Schéma équivalent Résistance série Rs liée à la résistivité du substrat semiconducteur et de la résistance des contacts et varie entre 0 et 500 Résistance de shunt Rsh Résistance infinie dans le cas d une photodiode idéale De l ordre de 00 MΩ dans le cas réel Permet de calculer le courant de fuite (polarisation nulle) Capacité de jonction C j De l ordre de 00 pf (polarisation nulle) à 0 pf (sous polarisation élevée) 6 8

9 Caractéristique électrique Le temps de réponse est le temps nécessaire pour atteindre 90 % du courant final de la photodiode. Dépend de trois facteurs : Temps de transit τ tr de parcours des électrons dans la ZCE Temps de diffusion τ d de parcours des électrons dans les régions neutres Constante de tempsτ liée à la présence de C j capacité de transition de la jonction C c est la capacité extérieure à la photodiode Bande passante en fréquence : Limitée par la constante de temps B = π τ τ = ( R s + R L )( C j +C c ) avec R s résistance de contact et R L résistance de charge 7 Caractéristique électrique Bruit Rapport signal à bruit (SNR, signal to noise ratio) s exprime :! S $ Le rapport du signal reçu au niveau du bruit : # & = I ph " N % l i Le rapport de la puissance du signal à la densité spectrale de puissance de bruit : NEP : Noise Equivalent Power ou Puissance équivalente de bruit Puissance optique reçue permettant d obtenir un rapport S/N égale à à la sortie de la photodiode à une longueur d onde et une fréquence de modulation données Puissance optique minimale de détection dans une bande de fréquence P opt_min est obtenue pour : S N = P s = < I ph > R L P b i R L NEP= P opt _ min en W / Hz B S N = 8 9

10 Caractéristique électrique Bruit Source de bruit associé (en densité spectrale) Bruit de grenaille du courant d obscurité et photocourant : i g = q ( I d + I ph ) Δf Bruit lié au NEP : i NEP = R NEP Δf Bruit liée à la résistance de charge : i Th = 4kT R Δf Bruit total : i = i g + i Th + i RIN Pour les applications analogiques (radio sur fibre), le bruit RIN intervient i RIN = RIN I ph Δf 9 Caractéristique électrique Bruit Le rapport Signal à Bruit détermine la qualité du signal après photodétection S N = P s = < I ph > R L P b i R L Le circuit équivalent complet de la photodiode I ph = R P opt i g 0 0

11 Circuits associés Amélioration du S/N Augmentation du photocourant I ph à montage amplificateur Réduction des bruits de grenaille et du bruit thermique Extension de la bande passante Optimisation du produit R j C j C j par optimisation du rapport surface de détection et largeur de charge d espace Adaptation d impédance du dispositif de détection avec un circuit électronique complémentaire de traitement de signaux Circuits associés Montage amplificateur haute impédance Tension en sortie : V p = R c I ph G Gain en courant Z = R G (G élevé => bruit faible) Bande passante : B = π R c C j G Produit Gain Bande Passante : G B = π R c C j P opt +V I ph Rapport S/N Bruit thermique de R c dominant Solution : prendre R c élevée Inconvénient : bande passante détériorée R c V p

12 Circuits associés Amplificateur transimpédance Tension en sortie : V p = R f I ph Gain en courant Z = R f Bande passante : B = Produit Gain Bande passante : GB = π R f C j π R f G C j G = π R f C j G P opt +V I ph Rapport S/B Bruit thermique de R f dominant Résistance élevée à diminution de la bande passante R f V p 3