Photodiodes et Photodiodes Avalanche
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Photodiodes et Photodiodes Avalanche
PHOTODIODES ET PHOTODIODES AVALANCHE Romain Garcin, Quentin Grando Université de la Méditerranée, Maîtrise de Physique et Applications Résumé: Nous présentons ici les principes de fonctionnement des photodiodes et photodiodes avalanche, ainsi que leur principales caractéristiques et applications. Introduction Une photodiode est une diode [5] qui produit comme résultat de l’absorption de photons, a) un photovoltage ou b) des transporteurs libres qui supportent la conduction d’un photocourant. Les photodiodes sont utilisées pour la détection et la mesure d’intensité lumineuse, dans une large gamme de longueurs d’ondes (IR-visible-UV). Elles conviennent aussi bien pour un signal lumineux statique que modulé (communications optiques). Principe Lorsqu’un photon d’énergie ηω > E g est absorbé par le cristal, il excite un électron de la bande de valence vers la bande de conduction, créant une paire électron-trou (Fig. 1). Ce phénomène, peut se produire dans tout le cristal. Dans la couche de déplétion, le champ électrique accélère les électrons vers la couche N et les trous vers la couche P. Si le est suffisamment important, les électrons (resp. trous) crées dans la couche P (resp. N) peuvent être diffusés jusqu’à la couche de déplétion, et y être accélérés jusque dans la couche N (resp. P). Il en résulte une charge positive dans la couche P et une charge négative dans la couche N, proportionnelles au nombre de photons absorbés, et donc à l’intensité du faisceau lumineux incident. N EC EF ηω EV Figure 1: Principe de fonctionnement Modes d’Opération Lorsque la tension aux bornes de la diode est mesurée au travers d’une résistance importante, on parle de mode photovoltaïque. La tension mesurée varie logarithmiquement avec l’intensité lumineuse. Si la résistance est très faible, un photocourant la traverse: c’est le mode photoampérique. Version 1.1, 20 January 2000 Structure p-i-n Afin de maximiser la zone de déplétion tout en appliquant à la jonction une tension faible inverse (quelques volts), on rajoute une couche de matériau intrinsèque (forte résistivité) entre les couches P et N. L’essentielle de la différence de potentiel, et donc du champ électrique se concentre alors dans cette couche (Fig. 2). En minimisant l’épaisseur des couches P et N, tout en ayant une large couche I, on obtient un système très rapide et sensible. p+ i n n+ Figure 2: Structure p-i-n Temps de Réponse Le temps de réponse dépend principalement du temps que mettent les porteurs pour traverser la zone de déplétion et de la constante de temps du réseau RC formé par la capacité de la photodiode et de la résistance de charge. On a: 2 τ 2 = τ drift + τ 2RC W P Finalement, la façon la plus commune d’utiliser les photodiodes est le mode photoconductif. On applique alors une tension inverse à la diode tout en mesurant le courant résultant au travers d’une résistance de charge. Cette tension inverse augmente l’étendue de la zone de déplétion, tout en accélérant d’avantage les porteurs. Ce mode possède donc le temps de réponse le plus court. La capacité de la jonction est de la forme : Aε 0 ε r C= w Où A représente la surface de la jonction, et w la largeur de la zone de déplétion. On a donc intérêt à avoir une jonction petite (mais cela limite la surface active) et une zone de déplétion étendue (forte tension inverse) pour minimiser sa capacité. Bande Passante La bande passante représente le domaine de fréquence sur lequel la sortie de la photodiode est supérieure à fois 1 2 la valeur maximale de celle-ci. Son expression est: 1 ∆f el = 2 πRC Il faut donc associé une résistance et une capacité minimales pour atteindre une bande passante maximale. Photodiode Avalanche (APD) Références Dans ce cas, une jonction p-n est soumise à une tension inverse élevée, très près de sa tension de claquage. Les porteurs traversant la zone de déplétion peuvent alors atteindre une énergie suffisante pour créer d’autres porteurs par ionisation due aux collisions avec les atomes du cristal. Ce type de détecteur peut se révéler très sensible, puisqu’il est capable de détecter un seul photon. Dans de tels cas il faudra refroidir l’APD (e.g. 77K) et veiller à une parfaite stabilisation de la tension inverse. [1] Asch, G. et al. Les Capteurs en Instrumentation Industrielle, Dunod, 1983. [2] Fujitsu Quantum Devices: http://www.fujitsu.co.jp/hypertext/fqd/index-e.html [3] Kittel, C. Introduction to Solid State Physics, 7th ed. New York: Wiley, 1996. [4] SHARP Electronics of the Americas: http://www.sharpsma.com [5] Streetman, B.G. Solid State Electronic Devices, 4th ed. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1995. [6] Wilson, J. and J.F.B. Hawkes. Optoelectronics: An Introduction. 3rd ed. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1998. Bruits De nombreux bruits limitent les performances des photodiodes [6]. La source la plus importante est due à l’agitation et au rayonnement thermiques qui excitent des porteurs de manière aléatoire. On peut avoir une idée de la quantité de bruit générée par le détecteur en mesurant son courant d’obscurité. Le niveau du courant d’obscurité est généralement de l’ordre du nA, voire du pA. Bruit Johnson: ∆V j = (4kTR∆f ) Dû à l’agitation thermique des porteurs au sein d’un conducteur. Bruit Schottky: is2 = 2 q(i 0 + i ph )B Dû au passage des porteurs à travers un champ électrique. 1/ 2 On peut définir la puissance équivalente de bruit (NEP) qui correspond à l’intensité d’un flux lumineux générant un signal de même niveau qui le bruit. C’est donc le plus petit signal détectable. Le meilleur rapport signal-bruit (SNR) est donc : Popt SNR = NEP La détectivité spécifique d’un capteur tiens compte du NEP, de la bande passante et la surface active. D* = (A∆f )1 / 2 NEP WHz −1 / 2 Matériaux Pour la détection des radiations dans le visible et le proche IR, une des éléments le plus populaire est le silicium qui peut atteindre un rendement quantique de 80% entre 0.8µm et 0.9µm. Le développement des systèmes de communications à fibre optique demande des détecteurs pour des longueurs d’onde de 1.33µm et 1.55µm. Les matériaux les plus utilisés sont des composés InGaAs et InGaAsP. Conclusion Les photodiodes sont des capteurs très utilisés dans de nombreux domaines de l’industrie et de la recherche. Elles peuvent être utilisées dans de larges gammes d’applications grâce à leur sensibilité et leur vitesse élevée. Les photodiodes sont devenues indispensables pour réaliser les systèmes de télécommunications toujours plus performants qui sont la clé de l’économie mondiale contemporaine. Version 1.1, 20 January 2000