Introduction aux composants optoélectroniques

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1 Composants et capteurs Introduction aux composants optoélectroniques 1ère année IFIPS Département Electronique Cédric KOENIGUER Composants et capteurs 1

2 Plan I. Généralités 1) Interaction rayonnement-semiconducteur 2) Etudes spectrales 3) Caractérisation des dispositifs II. Etude de quelques composants 1) Les différents modes de fonctionnement 2) La photoconducteur 3) La photodiode 4) La diode électroluminescente Composants et capteurs 2

3 Généralités : interaction rayonnement-sc Rappels sur les énergies du photon et de l'électron Energie d'un photon : hc E = hυ = λ E =hc Energie E( ev ) = 1.24 λ ( µm) Ex : GaAs Energie d'un électron dans un SC : Ex : Si hc hc / n Energie BC Energie BC E g BV gap direct gap indirect BV Composants et capteurs 3 E g

4 Généralités : interaction rayonnement-sc Liens entre les vecteurs d'onde interaction photon-électron : choc élastique conservation de la quantité de mouvement conservation de l'énergie cinétique E f f E i i = ± hυ = ± ph ph electron π = 10 m λ 600 nm π = m a electron >> ph Les transitions radiatives sont verticales Composants et capteurs 4

5 Généralités : interaction rayonnement-sc E Gap directs : E c Transitions radiatives Gap indirects : E (non radiatif) E c hυ absorption hυ E v E v E E c E E c hυ E v émission Composants et capteurs 5 E v hυ

6 Généralités : Etudes spectrales Les différents spectres Emetteur canal de transmission détecteur utilisateur Scène LED, Laser atmosphère fibre optique photodiode photoconducteur capteur CCD Ex : oeil humain Ex : transmission d'une fibre Composants et capteurs 6

7 Généralités : caractérisation Principales grandeurs - coefficients de réflexion/transmission - coefficient d'absorption du matériau : α en cm -1 taux de génération de porteurs : g( x) x = αϕ e α 0 - rendement quantique interne : η i = - nb d'e photogénérés dans le circuit nb de photons incidents - Pour les photodétecteurs : réponse spectrale en A/W R = Photocoura nt généré Puissance optique Composants et capteurs 7

8 Photodétecteurs les différents modes Les grands types de détection quantique Ec Ec E 2 Ev détection interbande (photoconducteur, photodiode) Ec détection par photoémission interne (photodiodes Schotty) E 1 détection par transitions intrabandes (structure à puits quantiques) 2 modes : photoconducteur : on applique une tension pour repérer une variation de conductance (donc pour faire circuler les charges) photovoltaïque : la structure n'a pas besoin de tension pour faire circuler les charges Composants et capteurs 8

9 Photoconducteurs Photorésistance (photoconducteur) cf TD3 Sans éclairement : V= G 0 I 0 z Sous éclairement : création de paires électrons/trous y SC augmentation de la conductivité σ G=G 0 + G I= I 0 + I On détecte cette variation de courant. V x On montre que : I = A Flux de photons Composants et capteurs 9

10 Photodétecteurs : photodiode Photodiode : structure P + ZCE N I 0 W X n x V Flux de photons incidents (côté P) pénètre dans les 3 zones création de paires électrons trous dans les 2 zones Zone P : étroite (devant la longueur de diffusion) Zone N : longue Composants et capteurs 10

11 Photodétecteurs : photodiode Photodiode : photocourant de diffusion Dans les deux zones quasi-neutres : augmentation de porteurs minoritaires courants de diffusions de minoritaires Région de type P étroite courant de diffusion négligeable Dans la région de type N : 0 1 dj p p = + g( x) q dx τ p d p j p = qdp dx αx g( x) = αϕ e 0 2 p 1 αϕ p = Lp Dp d dx e αx Conditions aux limites, si V proche de 0 ou en polarisation inverse : p ( x p( x = W ) = 0 = X n ) = 0 (champ électrique) (contact ohmique) j x W qϕ p ( = ) 0 αl αw Composants et capteurs 11 p 1+ αl p e

12 Photodétecteurs : photodiode Photodiode : photocourant de génération (cf TD4) E 0 W peu d'électrons en x=0 : j n (0)=0 peu de trous en w=w : j p (W)=0 Dans la ZCE : génération de paire électrons trous x Sous l'action du champ : - les e- sont accélérés vers la zone N - les trous sont accélérés vers la zone P peu de recombinaisons 0 1 djn = + g( x) q dx αx g( x) = αϕ e 0 n τ n j j n ( W ) = W n ( W ) qϕ0 qg( x) dx Composants et capteurs 12 0 = 1 ( αw e )

13 Photodétecteurs : photodiode Photodiode : courant 1 B α J = Js courant d'obscurité ( qv / T ) W e 1 qϕ e αlp I qϕ 0 photocourant I ph V Composants et capteurs 13

14 Photodétecteurs : photodiode Photodiode : améliorations Favoriser le courant de génération dans la ZCE grande ZCE 2 solutions : - polarisation inverse de la diode - on intercale une zone de SC intrinsèque entre N et P : c'est une photodiode PIN P + I N Composants et capteurs 14