Post on 28-Apr-2015
UNIVERSITÉ DE HASSIBA BEN BOUALI CHLEF
FACULTÉ DES SCIENCES ET SCIENCES DE L’INGÉNIEUR
Modélisation électrique d’une photodiode PIN
Préparée par:
BAHI AHMED
BENYAHIA AHMED
Introduction 1
Différentes photodiodes PIN 3
Principe de photodétection 2
Calcul de photocourant 5
Conclusion & Perspective 7
Caractéristiques 4
Plan de travail
6 Simulation
types principe photocourant simulation caractéristiques Conclusion Introduction Introduction
Ampèremètre
hυ ≥ EG = EC – EV
E
hυ EC
EG
EV
BC
BV
Types photocourant simulation Caractéristique conclusion introduction principe
Principe de photodétection
Zone I (intrinsèque)
Contact
Contact Zone dopée p+
Zone dopée n
Types photocourant simulation Caractéristique conclusion introduction principe
Description d’une photodiode PIN
Types photocourant simulation Caractéristique conclusion introduction principe
Le circuit du photodiode PIN
Électron
Couche antireflet
élimine les pertes par réflexion
Photons
E Trou
-
+
RL
P
I
N
hυ
Dérive
Diffusion des trous
hυ
Energie
des
électrons
Diffusion des électrons
Diagramme des bandes d’énergie
Types photocourant simulation Caractéristique conclusion introduction principe
Types photocourant simulation Caractéristique conclusion introduction principe
Principe de fonctionnement
hυ
Dérive
Diffusion des électrons
Diffusion des trous
hυ
Energie
des
électrons
P I N RL
Iph Popt
RPopt
Vr
W
photocourant simulation Caractéristique conclusion introduction principe type
Photodiode à éclairage verticale
Lumière
N+
N-
P+
photocourant simulation Caractéristique conclusion introduction principe type
Photodiode à éclairage latéral
Lumière i-InGaAs Guide d’onde
absorption+ZCE
p+
n+
a) avec un guide d’onde simple
n+
i-InGaAs absorption+ZCE
p+
Guide d’onde
photocourant simulation Caractéristique conclusion introduction principe type
Photodiode à éclairage latéral
Lumière
b) avec un couplage évanescence
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
Rendement
ηe= η0 ηi
rendements optiques
rendements
quantiques internes
Rendement quantique externe
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
Rendement
indice de réfraction optique Rendement optique
Coefficient d’absorption
Rendements quantiques internes
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
Rendement
Taux de génération optique à travers la structure de deux
photodiodes PIN : Courbe 1, photodiode PIN à homojonction ;
courbe 2, photodiode à hétérojonction
Zone i
désertée
p
dp+d
n
0
GR
dp z
Su
rfa
ce
1
2
Le rendement quantique (η) qui est le rapport du nombre
de paires de porteurs " photocréées et collectées " au
nombre de photons incidents:
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
Rendement
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
sensibilité
La responsivité (sensibilité) (R0) de la photodiode exprimée en
ampères par watt et définissant le rapport du photocourant Iph au
flux énergétique (ou puissance optique Popt) reçu(e).
photocourant
Flux reçue
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
Sensibilité
Pour l’intervalle de longueur d’onde ou le phénomène
photoélecrique existe, il est possible d’éxprimer cette
responsivité par :
Rendement quantique externe
Charge de l’électron
Constante de Planck
Vitesse de la lumière
Longueur d’onde
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
Sensibilité
: Courbes de sensibilité et de rendement selon les
longueurs d'onde pour divers matériaux.
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
sensibilité
Ce tableau représente la sensibilité de différentes photodiodes
pour une longueur d'onde donnée, démontre que le choix du
matériau de la photodiode est fonction de la longueur d'onde pour
laquelle il doit opérer.
Matériaux Si Ge
Sensibilité (A/W) 0.7 0.6
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
Courant d’obscurité
tableau donne le courant d'obscurité pour
différentes photodiodes à une température donnée.
Matériaux Si Ge GalnAs
Courant d'obscurité (nA) 3 500 38
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
Bruit
le courant quadratique moyen de bruit de la photodiode
s’écrit :
bande
passante
courant
d’obscurité photocourant
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
Temps de reponse
En négligeant le temps piégeage, le temps de reponse est
la somme de trois composantes:
Temps de transit dans la zone désertée
Constante de temps associée au circuit de charge
Temps de diffusion dans les zones neutres
photocourant simulation conclusion introduction principe type Caractéristique
La bande passante BP est approximée par
Temps de
reponse
bande passante
simulation conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
Calcul de photocourant
courant de
diffusion des
photoélectrons de
la région de type p
courant de
diffusion des
phototrous de
région de type n
courant de
photogénération
dans ZCE
simulation conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
Calcul de photocourant
simulation conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
calcul
xc xn x
Φ(x)
xp 0
n p
2 1 3
Φ e-αx
Modèles
simulation conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
photocourant
Courant de diffusion de trous ,région 3
Courant de diffusion d’électron, région 1
calcul
Courant de génération, région 2
simulation conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
calcul
résultat
Le photocourant résultant
condition 𝛼w>>1
conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
Modèle équivalent
simulation
CP
Iph
Diode
PIN
CP
Iph
Cj
(a)
(b)
Modèle équivalent de la photodiode, (a) modèle complet,
(b) version simplifiée
conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
Paramètres de simulation
simulation
longueur d’onde :
λ = 1.3 mm
coefficient d’absorption optique :
𝛼 = 1,3 104 cm-1
vitesses de saturation différentes pour les électrons et
les trous :
vn = 6 106 cm/s et vp = 4.8 106 cm/s
largeur de la zone intrinsèque :
di=1 µm.
capacités parasites du circuit:
CP = 50 fF
résistance de charge est gardée constante :
RC = 50 Ω.
conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
Simulation
simulation
Simlation Pspice
Réponse temporel
Réponse fréquentiel
L’influence de l’éclairement
Caractéristique courant-tension
conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
Caractéristique courant-tension
simulation
Vak
-3.0V -2.5V -2.0V -1.5V -1.0V -0.5V 0.0V 0.5V
I(Vm)
-2.0mA
-1.0mA
0A
1.0mA
conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
L’influence de l’éclairement
simulation
Popt
0 2m 4m 6m 8m 10m 12m 14m 16m 18m 20m
I(Vm)
-12mA
-8mA
-4mA
0A
conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
Réponse frequentielle de la photodiode
simulation
Frequency
100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz 1.0GHz 10GHz
DB(gain)
-20
-10
0
conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
Impulsion lumineuse appliquée
simulation
Time
0s 0.5ns 1.0ns 1.5ns 2.0ns 2.5ns 3.0ns 3.5ns 4.0ns
Popt
0
0.5mW
1.0mW
conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
Réponse temporelle de la photodiode
simulation
Time
0s 0.5ns 1.0ns 1.5ns 2.0ns 2.5ns 3.0ns 3.5ns 4.0ns
V(3)
-40mV
-20mV
0V
20mV
conclusion introduction principe type Caractéristique photocourant
Temps de reponce
simulation
•Le temps de monté : tm = 3.365.10-11 s
•Le temps de descente : td = 3.064.10-11 s
introduction principe type Caractéristique photocourant
Conclusion
simulation conclusion
Les simulations réalisées sous PSPICE
montrent que pour la photodiode PIN à base
d’InGaAs adapté à la détection à 1,3 mm,
présente une responsivité de 0.553 A/W, un
rendement quantique externe de 52.8 %, et
une bande passante autour de 13 GHz.
Merci pour votre attention