II.1 Constitution – principe de fonctionnement

Définition

Il s'agit d'une jonction PN polarisée en inverse. A la jonction, on a une zone intrinsèque I réalisée par dopage par compensation afin de maximiser la zce[1] dans laquelle vont être collectés les porteurs photogénérés. Le courant photoélectrique issu de la photodiode est donné par:

I ph = S λ P opt I_{ ph } = S_%lambda P_{ opt }

où S λ S_%lambda est la sensibilité spectrale de l'APD et P opt P_{ opt } est la puissance optique incidente.

Remarque

Une partie de la puissance optique incidente est perdue par réflexion à la surface du semiconducteur. On appelle P 0 P_0 la puissance optique qui pénètre dans le SC :

P 0 = ( 1 − R ) P opt P_0 = ( 1-R ) P_{ opt }

avec

R = coefficient de réflexion = ( n − 1 n + 1 ) 2 R = "coefficient de réflexion" = left( {n-1} over {n+1} right)^2

et n n l'indice de réfraction du semi-conducteur ( n = 4,24 n=4,24 pour le silicium)

Lorsqu'un photon rencontre un électron de Valence, il lui fournit de l'énergie qui l'envoie en bande de conduction, générant une paire électron-trou.

Ainsi, le flux de photons décroit exponentiellement au fur et à mesure que l'on pénètre dans le semiconducteur :

P ( x ) = P 0 exp ( − α x ) P( x ) = P_0 exp( -%alpha x )

α est le coefficient d'absorption de la lumière. Il dépend de la longueur d'onde, de la température et bien sûr du SC. On trouve sa valeur dans le graphe ci-dessous :

Ce phénomène d'absorption est représenté sur la figure suivante où x représente la direction perpendiculaire à la surface éclairée.

La génération de paires électrons-trous est donc directement proportionelle à la disparition des photons, ce qui se traduit par :

g ( x ) = − η int h ν dP dx = η int h ν α P 0 exp ( − α x ) g( x ) = - { %eta_{"int"} over { h %nu} } { dP } over { dx } = { %eta_{"int"} over { h %nu} } %alpha P_0 exp( -%alpha x )

Les zones frontales étant en général très dopées, nous admettrons qu'elles peuvent être considérées comme zone morte. En effet, le courant qui y est photogénéré est un courant de diffusion quasi nul étant donné qu'à forts dopages, les durées de vie et les longueurs de diffusion y sont extrêmement faibles

On calcule donc le courant engendré par les photons dans générant des paires électrons-trous dans la zce[1] :

d J ph = q g ( x ) dx = η int h ν α P 0 exp ( − α x ) dx d J_{ ph }= q g( x) dx = %eta_{ "int"} over { h %nu } %alpha P_0 exp( -%alpha x ) dx donc J ph = q η int h ν α P 0 [ 1 − exp ( − α δ ) ] exp ( − α W E ) J_{ph } = q %eta_{"int"} over { h %nu } %alpha P_0 left[ 1- exp(-%alpha %delta) right] exp( -%alpha W_E ) ,

avec W E W_E la largeur de la zone d'émetteur ou zone frontale, η int %eta_{ "int" } le rendement quantique interne, le coefficient d'absorption du semi-conducteur qui varie en fonction de la longueur d'onde et A j A_j la surface photosensible.

Attention

On remarque dans la formule précédente que pour maximiser le courant photoélectrique et donc la sensibilité de la photodiode, il faut que:

  • la largeur de la zone frontale ou zone émetteur W E W_E soit faible,

  • la largeur de la zce soit importante.

Remarque

Il faut impérativement qu'il n'y ait plus de photons à la fin de la zce[1]  sinon, les paires électrons-trous qui seraient photogénérées dans la zone arrière, donneraient lieu à un courant de diffusion. Ce phénomène est à éviter absolument car il est lent. En effet le temps de réponse de la photodiode devient alors égal à la durée de vie des porteurs minoritaires dans la zone arrière.

En pratique, il faut que:

exp [ − α ( W E + δ ) ] → 0 soit α ( W E + δ ) ≥ 3 exp[ -%alpha (W_E + %delta ) ] toward 0 `"soit"` %alpha( W_E + %delta ) ge 3

Fondamental

Ainsi, dans la pratique, à la jonction, on a une zone intrinsèque I réalisée par dopage par compensation afin de maximiser la zce dans laquelle vont être collectés les porteurs photogénérés.

D'où le nom de photodiode P I N.