Introduction aux composants optoélectroniques

Composants et capteurs
Introduction aux composants
optoélectroniques
C. Koeniguer 2008/2009
1ère année IFIPS
Département Electronique
2008-2009
Cédric KOENIGUER
Composants et capteurs
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Plan
I. Généralités
1) Interaction rayonnement-semiconducteur
2) Etudes spectrales
3) Caractérisation des dispositifs
II. Etude de quelques composants
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1) Les différents modes de fonctionnement
2) La photoconducteur
3) La photodiode
4) La diode électroluminescente
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Généralités : interaction rayonnement-SC
Rappels sur les énergies du photon et de l'électron
Energie d'un photon :
hc
E = hυ =
λ
Energie d'un électron
dans un SC :
E( eV ) =
E = hc k
1.24
λ( µm )
Energie
Energie
Energie
hc
BC
hc / n
BC
Eg
Eg
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Ex : Si
Ex : GaAs
k
k
BV
BV
k
gap direct
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gap indirect
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Généralités : interaction rayonnement-SC
Liens entre les vecteurs d'onde
interaction photon-électron : choc élastique
 E f − Ei = ± hυ

 k f − ki = ± k ph
• conservation de la quantité de mouvement
• conservation de l'énergie cinétique
k ph =
2π
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kelectron
λ
≈
π
6.28
≈ 107 m −1
600 nm
6.28
= ≈ −10 ≈ 1010 m −1
a 10
k electron >> k ph
Les transitions radiatives
sont verticales
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Généralités : interaction rayonnement-SC
Transitions radiatives
Gap directs :
Gap indirects
:E
(non radiatif)
Ec
E
hυ
absorption
hυ
Ec
Ev
Ev
k
k
Ec
E
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hυ
E
émission
Ev
Ec
hυ
Ev
k
k
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Généralités : Etudes spectrales
Les différents spectres
Emetteur
Scène
LED, Laser
canal de transmission
atmosphère
fibre optique
détecteur
photodiode
photoconducteur
capteur CCD
utilisateur
Ex : oeil humain
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Ex : transmission d'une fibre
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Généralités : caractérisation
Principales grandeurs
- coefficients de réflexion/transmission
- coefficient d'absorption du matériau :
α en cm-1
taux de génération de porteurs :
g ( x) = αϕ 0 e −αx
nb d' e - photogénérés dans le circuit
- rendement quantique interne : ηi =
nb de photons incidents
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- Pour les photodétecteurs : réponse spectrale en A/W
R=
Photocoura nt généré
Puissance optique
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Photodétecteurs les différents modes
Les grands types de détection quantique
Ec
E2
Ec
E1
Ev
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détection interbande
(photoconducteur,
photodiode)
Ec
détection par
photoémission interne
(photodiodes Schottky)
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
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Photoconducteurs
Photorésistance (photoconducteur) cf TD3
Sans éclairement : V= G0 I0
z
y
Sous éclairement :
SC
création de paires électrons/trous
⇒ augmentation de la conductivité σ
⇒ G=G0+∆G
⇒ I= I0+∆I
x
V
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On détecte cette variation de courant.
On montre que :
∆I = A × Flux de photons
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Photodétecteurs : photodiode
Photodiode : structure
P+
N
I
ZCE
x
W
0
Xn
V
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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
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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 : 
1 dj p
∆p
0
(
)
g
x
=
−
+
−

τp
q dx

d∆p

j
qD
=
p
p

dx


g ( x) = αϕ 0 e −αx
d 2 ∆p 1
αϕ 0 −αx
−
∆
p
=
−
e
2
2
dx
Lp
Dp
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Conditions aux limites, si V proche de 0 ou en polarisation inverse :
∆p( x = W ) = 0 (champ électrique)
∆p( x = X n ) = 0 (contact ohmique)
αL p −αW
j p ( x = W ) ≈ − qϕ 0
e
1 + αL p
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Photodétecteurs : photodiode
Photodiode : photocourant de génération (cf TD4)
Dans la ZCE : génération de paire électrons trous
E
0
x
W
Sous l'action du champ :
- les e- sont accélérés vers la zone N
- les trous sont accélérés vers la zone P
⇒ peu de recombinaisons
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peu d'électrons en x=0 : jn(0)=0
peu de trous en w=W : jp(W)=0
∆n
1 djn

+ g ( x) −
0 =
τn
q dx

 g ( x) = αϕ 0 e −αx
W
jn (W ) = ∫ − qg ( x)dx
0
(
jn (W ) = − qϕ 0 1 − e
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−αW
)
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Photodétecteurs : photodiode
Photodiode : courant
(
J = Js e
qV / k BT


1
−
α
W
e 
− 1 − qϕ 0  1 −
 1 + αL

p


)
courant d'obscurité
≈ −qϕ 0
I
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photocourant
V
Iph
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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
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P+ I
N
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