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Auteur(s)
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Christian BOISROBERT : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - Master of Sciences de l’Université du Colorado (États‐Unis) - Chargé des études de composants optoélectroniques pour transmissions par fibres optiques au Centre National d’Études des Télécommunications (CNET – Lannion)
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Lire l’articleINTRODUCTION
La disponibilité, au niveau industriel, de fibres optiques à très faibles pertes dans le domaine spectral compris entre 0,8 et 2 µm de longueur d’onde a déclenché de nouvelles activités de recherche et de développement sur les matériaux, et sur les composants issus de ces matériaux, susceptibles d’émettre et de détecter les radiations de ce domaine spectral.
Au niveau des sources de lumière raisonnablement utilisables dans les systèmes de transmission par fibres, les matériaux issus d’éléments des colonnes III et V de la classification de Mendeleïev connaissent un essor technologique considérable : les transitions électroniques qui prennent naissance dans ces semiconducteurs sont directes, donc très probables, et les différentes compositions permettent une grande variété de bandes d’énergie interdites, donc de longueurs d’onde d’utilisation.
La situation est assez claire en ce qui concerne les matériaux et les dispositifs photodétecteurs utilisables aux longueurs d’onde comprises entre 0,8 et
. L’effort technologique de recherche sur le silicium se maintient depuis plusieurs années sur des applications nombreuses et diverses, ce qui explique que ce matériau soit très bien connu, en comparaison de matériaux III‐V et II‐VI susceptibles de résoudre la même fonction dans les mêmes domaines spectraux. Les structures actuellement élaborées sur le silicium ont atteint un degré de complexité assez élevé.
La première partie de cet article traite du mode de fonctionnement de la jonction PN en compteur de photons, dont l’optimisation en sensibilité, rapidité et valeur de capacité de jonction conduit à la structure PIN.
Les techniques de mesure de paramètres fondamentaux sont décrites en paragraphe 2, au terme duquel quelques résultats expérimentaux seront présentés.
La troisième partie contient les bases théoriques et la description de la structure de la jonction à multiplication interne par avalanche, élaborée sur silicium. Ce modèle structural est utilisé par les chercheurs et les techniciens qui se penchent actuellement sur les jonctions à avalanche dans les matériaux adaptés à la photodétection aux longueurs d’onde plus grandes. Les techniques de mesure de gain et du bruit associé y seront également développées 3.2.
En conclusion 4, nous soulignerons les aspects difficiles de métrologie (photométrie, étalons, etc.), avant de résumer les conditions d’utilisation de ces deux types de composants dans les sous‐ensembles constitutifs des systèmes.
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- Version courante de déc. 2012 par Christian BOISROBERT
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1. Jonction photodétectrice à semiconducteur
1.1 Aspects théoriques
Avant d’aborder la notion de structure, il nous semble nécessaire de reprendre dans le détail le principe de chaque phénomène qui prend naissance dans le volume du composant [1] [3]. Le résultat de l’ensemble de ces phénomènes est une conversion d’énergie lumineuse en courant électrique.
L’énergie lumineuse peut être assimilée à des paquets de photons dont les fréquences ν correspondent aux longueurs d’onde des composantes spectrales de la radiation. Ces photons pénètrent dans le volume du matériau après avoir traversé une discontinuité d’indice à la surface de ce matériau. Ceux qui sont réfléchis sur cette surface sont perdus et ne participeront plus à la conversion. De même, au sein des matériaux, ne participeront que ceux qui ont été absorbés après avoir créé une paire électron‐trou. Avant de décider de telle ou telle structure, nous devons choisir le matériau de base le plus absorbant aux longueurs d’onde qui nous intéressent et déjà entrevoir un traitement de surface antiréfléchissant. Les courbes de la figure 1 représentent les variations du coefficient d’absorption de matériaux semiconducteurs en fonction de la longueur d’onde.
L’efficacité quantique externe ηext est le rapport du nombre de paires de porteurs collectés sur les électrodes au nombre de photons incidents ; il est encore appelé rendement quantique externe, puisqu’il s’exprime à l’aide d’un nombre inférieur à 1 ou très voisin de 1. Si nous suivons le trajet des photons, nous constatons que nous pouvons décomposer ηext sous la forme du produit de trois rendements :
avec :
- T :
- coefficient de transmission de l’interface guide de lumière – surface du semiconducteur, d’autant plus voisin de l’unité que les couches antireflets sont mieux adaptées
- ηab :
- coefficient d’absorption de la jonction (critère de choix du matériau le plus approprié...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BERTH (M.), VENGER (C.) - Photodétecteurs rapides à état solide - . Acta Electronica (F) 15 no 4 1972 p. 231-308.
-
(2) - MELCHIOR (H.), FISHER (M.B.), ARAMS (F.R.) - Photodetector for optical communications systems - . Proceedings IEEE (USA) 58 1970 p. 1466-86.
-
(3) - BOISROBERT (C.) - La photodiode PIN au silicium : structure, élaboration, utilisation - . Acta Electronica (F) 22 no 4 1979 p. 311-22.
-
(4) - DECROISETTE (M.) - Méthodes de mesure d’impulsions lumineuses ultra-brèves - . Onde Électrique (F) 56 no 1 1976 p. 1-4.
-
(5) - DUMANT (J.M.), BOISROBERT (C.), DEBEAU (J.) - Modulation rapide d’une diode laser GaAlAs en bande de base. Caractérisation du circuit de détection à diode PIN - . 2e Colloque Européen sur les transmissions par fibres optiques Paris 1976 Onde Électrique (F) 56 1976 p. 609-12.
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...
ANNEXES
Microscope et objectifs de microscope :
Nachet (Microscopes) http://www.nachet.com
Leica Microsystems http://www.leica-microsystems.com
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Détection synchrone :
Princeton Applied Research Corp.
Analyseur de réseau :
Agilent http://www.agilent.com
Oscilloscope à échantillonnage :
Tektronix http://www.tektronix.com
Agilent
Photodiode étalon :
Perkin Elmer http://www.perkinelmer.com
Banc de mesure de sensibilité :
Photodyne Inc.
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