Photodiodes et Photodiodes Avalanche

Version 1.1, 20 January 2000
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 g
E>ωη 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.
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.
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.
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.
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
RC
2
drift
2τ+τ=τ
La capacité de la jonction est de la forme :
w
A
Cr0 εε =
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
2
1
fois
la valeur maximale de celle-ci. Son expression est:
RC
fπ =∆ 2
1
el
Il faut donc associé une résistance et une capacité minimales
pour atteindre une bande passante maximale.
N
P
C
E
F
E
V
E
ωη
W
+
pn
+
ni

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Photodiode Avalanche (APD)
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.
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:
()
2/1
j4fkTRV ∆=∆
Dû à l’agitation thermique des porteurs au sein d’un
conducteur.
Bruit Schottky:
()
Biiqi ph0
2
s2+=
Dû au passage des porteurs à travers un champ électrique.
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 :
NEP
P
SNR opt =
La détectivité spécifique d’un capteur tiens compte du
NEP, de la bande passante et la surface active.
()
NEP
fA
D
2/1
*∆
=2/1
WHz −
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.
Références
[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.