APP1 de S6 – électrique - Université de Sherbrooke

Faculté de génie
Département de génie électrique
et de génie informatique
Session 7 – Électrique
Microélectronique et bio-ingénierie
(Photonique et capteurs)
La conception de photodiodes
Guide de l’étudiant
Unité 1
Hiver 2013

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Note : En vue d’alléger le texte, le masculin est utilisé pour désigner les femmes et les hommes.
Document : S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx
Version 4, 14 janvier 2013
Par Serge Charlebois.
Copyright 2013, Département de génie électrique et de génie informatique, Université de Sherbrooke
L’Université se réserve le droit de modifier ses règlements et programme sans préavis.

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Compétences terminales de la session S7
visées par l'unité
Compétences scientifiques et techniques propres au génie électrique
Appliquer les diverses étapes du processus de résolution de problèmes à des problèmes propres au
génie électrique dans les domaines de la micro/opto-électronique, notamment:
a) Analyser des dispositifs micro/opto-électroniques pour comprendre et déterminer leurs
caractéristiques d’opération;
b) Élaborer la configuration d’un dispositif micro/opto-électronique relativement aux matériaux
semi-conducteurs et aux composants de base pour rencontrer des spécifications d’opération
données.
Compétences interpersonnelles
a) Communiquer, en français, oralement et par écrit en utilisant le support approprié au moment
requis.
b) Comprendre, structurer et exploiter l'information.
Compétences intrapersonnelles
a) Exercer des capacités d'analyse, d'abstraction et de synthèse.
b) S'acquitter de ses obligations et de ses responsabilités avec professionnalisme
c) S'auto-évaluer, c'est-à-dire, prendre du recul, évaluer l'état de la situation, évaluer ses propres
limites, son besoin de formation et prendre les mesures qui s'imposent.

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Énoncé de la problématique
La conception de photodiodes
En tant que nouvel/le ingénieur/e de design de dispositifs semiconducteurs, vous obtenez le mandat
de concevoir une photodiode pour un client. Le cahier de charges de la demande du client se résume
aux points suivants :
Spécifications du client
1. la photodiode doit être de configuration planaire circulaire afin d’être disposée en matrice;
2. la superficie doit être minimisée pour maximiser l’intégration en matrice;
3. la photodiode doit générer un courant de 1nA pour une excitation lumineuse de 50µW/cm2 à
la longueur d’onde de 516nm;
4. le ratio photocourant sur courant de saturation en inverse doit être supérieur à 2.
5. la tension d’opération doit être inférieure à 60V;
6. le circuit de multiplexage et d’amplification devra être placé sur la même puce.
Votre intuition vous porte à considérer la conception d’une photodiode avalanche sur silicium telle
qu’esquissée aux figures 1 et 2. Vous prendrez soin de justifier ce choix à votre client (qui n’est pas
un expert du domaine).
Vous procédez d’abord à une estimation grossière de la géométrie du dispositif en calculant :
• la puissance lumineuse déposée dans la diode;
• la densité des porteurs générés;
• la pénétration de la lumière dans le silicium;
• la taille de la zone de déplétion
• la densité de dopants nécessaire
• la tension de claquage attendue;
• la tension d’opération optimale.
Il faudra toutefois poser certaines hypothèses : le temps de vie des paires électron-trou, l’exposant de
l’effet avalanche, etc.
En fixant une limite à ce courant de saturation, vous parvenez à estimer le niveau de dopage
nécessaire (en supposant la jonction p-n idéale).
Pour simuler le dispositif, vous utiliserez le logiciel Taurus-Medici de Synopsys que votre
employeur met à votre disposition. N’étant pas familier avec ce logiciel, vous tirez des archives le

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projet de conception d’une diode qu’un de vos prédécesseurs a réalisé. Il vous manque toutefois le
cahier de charge de ce client… Vous devez ainsi reproduire ses résultats et les analyser afin
d’identifier le type de diode en cause et de mieux situer le travail à faire. Il suffira ensuite de
modifier la géométrie de la photodiode en fonction des estimés précédant et de simuler.
On devra s’assurer que le simulateur tient bien en compte les phénomènes significatifs présents dans
le dispositif qui touchent entre autre :
• la mobilité en fonction du champ;
• l’effet tunnel de bande à bande;
• le mécanisme d’avalanche.
Figure 1 Vue en coupe d’une photodiode avalanche planaire à géométrie cylindrique
Figure 2 Vue de dessus d’une photodiode avalanche planaire a géométrie cylindrique