3.1 – Génération du courant photonique et courant d’obscurité

Le guide optique en dessous de la photodiode lui achemine le signal optique, qui est alors absorbé dans la zone intrinsèque. Si on considère le modèle corpusculaire de la lumière, les photons absorbés créent une réaction dans le semi-conducteur. En effet, quand un photon arrivant possède une énergie supérieure à la bande interdite du semi-conducteur, il ionise un atome et crée ainsi une paire électron-trou : un électron dans la bande de conduction et un trou dans la bande de valence. En principe, chaque photon absorbé contribue à la création d’un électron dans le photocourant. En réalité, le taux de conversion est légèrement inférieur à 100%.

La photodiode PIN possédant une zone où la densité de trous est importante (dopée P) et, à l'opposé, une zone où la densité d'électrons est importante (dopée N), il y aura alors formation d'un dipôle, donc d'un champ électrique E (Fig. II.3.1). Ce champ agira sur la paire électron- trou créée, en attirant les électrons du côté N et les trous du côté P, formant ainsi le photocourant. De plus, une polarisation inverse appliquée sur la photodiode augmentera l'effet du champ électrique, accélérant ainsi le processus de transit à travers la zone intrinsèque. La polarisation inverse permet en effet aux porteurs de charges minoritaires de circuler.

Figure II.3.1 – Schéma de principe de la génération de paires électron-trou

La vitesse des porteurs de charge à travers la zone de déplétion est appelée vitesse de dérive, et est proportionnelle au champ électrique et à la polarisation jusqu'à ce que la vitesse de saturation soit atteinte (lié au matériau semi-conducteur). Cette vitesse de saturation est la raison pour laquelle on ne peut pas améliorer la vitesse de transport, donc la fréquence de coupure, en augmentant indéfiniment la polarisation de la photodiode.

Le courant d’obscurité, comme son nom l’indique, correspond au courant produit par la photodiode quand elle n’est pas éclairée. En polarisation inverse, il s’agit d’un courant de fuite dû aux porteurs minoritaires, alors qu’en polarisation directe, on retrouve le flux de courant des porteurs majoritaires. Sans éclairement, on retrouve simplement le comportement classique d’une diode PN. Le courant d’obscurité est un critère de mérite à prendre en compte lors de la caractérisation d’une photodiode et doit être le plus faible possible, pour éviter tout bruit parasite qui dégraderait le signal.

La polarisation de la photodiode, appelée Vph dans le reste du manuscrit, correspond à une

tension VPN : quand la tension est négative, c’est une polarisation en inverse, et quand la

tension est positive, cela correspond à une polarisation en direct.

Quand la photodiode est éclairée, son courant en inverse augmente proportionnellement avec la puissance optique qui lui est appliquée (Fig. II.3.2). En direct, cependant, on ne voit

aucun effet de la puissance optique car le courant photogénéré est un flux de charge minoritaire qui est négligeable devant le flux de porteurs de charge majoritaire de la diode.

Figure II.3.2 – Courbe de courant photonique et courant d’obscurité en fonction de la polarisation DC d’une GeHSPD PIC25G 0.4x14.4 µm à 1550 nm pour différentes puissances optiques (Obscurité, 7,5 dBm, 8,5 dBm

et 9,5 dBm)

Les valeurs de puissances optiques données ici sont celles en sortie de la fibre optique, arrivant sur le réseau de couplage (cf. section III.1.2). Le courant d’obscurité est bien en dessous de 1 µA, ce qui est conforme aux spécifications de cette technologie (<100nA à -1V). On peut remarquer un effet de vibrations sur les mesures sous éclairement qui n’apparaissent pas lors de la mesure sous obscurité. Celles-ci viennent de la fluctuation de la position de la fibre au-dessus du réseau de couplage; environ 1 cm se trouve en dehors du support de fibre et est particulièrement sensible au flux d’air présent dans la salle.

Suite à la mesure du photocourant émis par la photodiode, une grandeur caractéristique est utilisée pour décrire ses performances : la photo-réponse (ou sensibilité). Celle-ci se définit comme le rapport entre le photocourant émis et la puissance optique incidente, et s’exprime en A/W (Eq. II.3.1).

𝑅(𝑉

) =

𝐼

(𝑉

)

𝑃

Une mesure de sensibilité à 1310 nm effectuée sur la photodiode GeHSPD 0,7x14,4 µm est visible sur la figure II.3.3 ci-dessous. Une sensibilité de 1 A/W correspond à une conversion totale du signal optique reçu par la photodiode en un signal électrique : 1 photon absorbé génèrera un électron. On remarque qu’au-delà d’une certaine tension en inverse Vph

= -2 V, la sensibilité est supérieure à 1. Il s’agit du phénomène d’avalanche, qui apparait lorsque la photodiode est soumise à un trop fort potentiel électrique. Afin de limiter ce phénomène pour garder le caractère linéaire de la génération de photocourant avec la puissance optique, la photodiode ne sera jamais soumise à une tension inférieure à -2 V.

Figure II.3.3 – Mesure de sensibilité de la GeHSPD 0,7x14,4 µm à 1310 nm.

L’effet de la largeur intrinsèque de la photodiode (Wph) a été particulièrement étudié tout

au long de cette thèse, car il a un impact important sur les performances des photodétecteurs. La courbe Fig. II.3.4 reporte l’impact de 5 largeurs différentes (de 0.4 à 0.8 µm), pour une longueur fixe de 14.4 µm, sur le photocourant délivré.

Fig II.3.4 – Effet de la largeur intrinsèque (0.4 à 0.8 µm) de la photodiode sur le photocourant en fonction de la polarisation DC.

On peut remarquer que le photocourant est proportionnel à la largeur de la photodiode, variant de -2,7 à -3,7 mA pour une polarisation de -2 V. La zone d’absorption au-dessus du guide d’onde étant plus large, plus de signal optique est absorbé, donc plus il y aura d’électrons photogénérés.