Modélisation électrique d’une photodiode PIN.pdf

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


Description d’une photodiode PIN


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



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+


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


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


Rendement

indice de réfraction optique Rendement optique

Coefficient d’absorption

Rendements quantiques internes


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:


Rendement


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


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


Sensibilité

: Courbes de sensibilité et de rendement selon les

longueurs d'onde pour divers matériaux.


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


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


Bruit

le courant quadratique moyen de bruit de la photodiode

s’écrit :

bande

passante

courant

d’obscurité photocourant


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


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


Calcul de photocourant


calcul

xc xn x

Φ(x)

xp 0

n p

2 1 3

Φ e-αx

Modèles


photocourant

Courant de diffusion de trous ,région 3

Courant de diffusion d’électron, région 1

calcul

Courant de génération, région 2


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


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.


Simulation

simulation

Simlation Pspice

Réponse temporel

Réponse fréquentiel

L’influence de l’éclairement

Caractéristique courant-tension


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


L’influence de l’éclairement

simulation

Popt

0 2m 4m 6m 8m 10m 12m 14m 16m 18m 20m

I(Vm)

-12mA

-8mA

-4mA

0A


Réponse frequentielle de la photodiode

simulation

Frequency

100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz 1.0GHz 10GHz

DB(gain)

-20

-10

0


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


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


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

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