4.3 Modulation optique et temps de réponse
4.3.1 Principe de la mesure
C
omme nous l’avons vu dans le chapitre décrivant le système expérimental, nous avons la possibilité de moduler en fréquence la lumière envoyée sur le faisceau soit à l’aide d’une cellule de Pockels (fmax = 20M Hz), soit avec un module acousto-optique (AO,fmax = 200M Hz). Le premier problème que l’on pourrait alors rencontrer vient du fait que nous voulons mesurer des bas courants (< nA) modulés à haute fréquence. Mais les TEDs nous permettent d’outrepasser ces contraintes de sensibilité et de résolution temporelle. En effet, la chute de tension varie en fonction de la puissance laser envoyée comme nous pouvons le voir sur la figure4.4a: plus la puissance est élevée, plus le pic lié à l’illumination se déplace vers les hautes énergies (i.e. plus la chute de tension est faible). Ce phénomène est schématisé sur la figure 4.5a où nous voyons le déplacement du pic en fonction de l’illumination et la courbure de la bande de conduction associée. Ainsi, grâce à l’analyseur en énergie nous pouvons observer chaque pic avec sa position clairement définie (figure4.5b) et cette différenciation n’a pas de limitation dans la résolution en temps. Les mesures sont donc similaires à des mesures synchrones. Nous allons maintenant étudier l’évolution des TEDs en fonction de la fréquence de modulation optique.(a)
(b)
Figure4.5: a) Représentation schématique de l’évolution du profil de la bande de conduction sous
illumination [13] b) Position des pics avec et sans illumination : on a un décalage vers les hautes énergies et une augmentation de l’intensité due au photocourant.
4.3.2 TEDs et modulation optique
La figure 4.6nous montre l’évolution des TEDs en fonction de la fréquence de modu-lation optique. Pour obtenir cette série, nous nous sommes placés à une tension appliquée fixe Va= 250V sur le plateau de saturation de NW3 et avons éclairé l’échantillon avec une puissance de 200mW non focalisée et modulée via l’AO (On/Off 100%, duty cycle 50%). La modulation est faite de 50Hz à 1MHz (nous avons repéré au préalable à quelle fréquence il ne restait plus qu’un seul pic) selon une progression logarithme sur 150 points dans le cas présenté. A basse fréquence, la position des pics correspond avec ceux de la figure4.5b
4.3. Modulation optique et temps de réponse
Figure 4.6: Evolution des TEDs en fonction de la fréquence de modulation optique (150 points
entre 50Hz-1MHz avec une progression logarithmique).
Figure4.7: Evolutions significatives de la forme TEDs en fonction de la fréquence de modulation
optique. L’axe des abscisses correspond aux énergies et est identique à celui de la figure4.6et les ordonnées correspondent à l’intensité des pics (u.a.).
4.3. Modulation optique et temps de réponse
et on a ΔVOF F = 22.35V et ΔVON = 19.3V . Plus la fréquence augmente, plus les pics se rapprochent jusqu’à n’en former plus qu’un.
Nous avons représenté sur la figure 4.7les principales étapes de l’évolution des TEDs. A 50kHz, il n’y a déjà plus qu’un seul pic. Cela nous indique donc que la réponse du fil à la modulation optique est inférieure à cette valeur. Il convient maintenant de réussir à déterminer la valeur de ce temps de réponse d’après nos mesures.
De telles mesures utilisant l’évolution des TEDs en tant que mesure du temps de réponse optique n’existent pas en émission de champ et constituent donc une nouvelle méthode de détermination de celui-ci. Les études les plus proches appliquées au silicium que nous ayons trouvées portent sur les travaux de Héritage et al. [4, 16]. Leur système constitué d’assemblages de pointes de silicium de type p enfermées dans une structure également en silicium et en forme de cratère, soumis à un train de pulses de ∼ 10ns à 532, 830,
730 et 1024nm, ont montrés des temps de réponse allant de quelques microsondes à une centaine de picosecondes. Cependant leur montage n’a pas été testé sur toute une gamme de fréquences et bien que le silicium soit de type p, aucune caractéristique FN exhibant un palier de saturation n’est présentée, on ne connait pas non plus la valeur et le profil de la chute de tension interne. Les intensités utilisée sont faibles (∼ 13mW/cm2) ce qui ex-clu les effets thermiques et enfin le courant moyen sur chaque émetteur est de l’ordre du nA. Comparer ces données avec les nôtres s’avère donc difficile, ne serait -ce que par leur géométrie très complexe face à la nôtre beaucoup plus claire et bien définie. On peut toutefois noter que leur modèle de base repose également sur la théorie de Baskin pour la pénétration de champ et qu’une des longueurs d’ondes utilisées proches de celle que nous utilisons. Nous verrons par la suite que certains de leurs résultats sont du même ordre de grandeur que les nôtres. Mais avant de pouvoir comparer, il faut connaitre l’origine physique de notre temps de réponse : s’agit-il de conductivité seule ou est-on également en présence d’effets thermiques ?
4.3.3 Paramètre étudié
Afin de déterminer l’origine du phénomène que nous mesurons, il faut d’abord savoir quoi comparer. Le paramètre arbitraire que nous avons choisi d’étudier est l’évolution de l’écart entre les 2 pics de TEDs, ΔP (ΔP = |ΔVON − ΔVOF F|). Sur la figure 4.8 nous avons tracé l’évolution normalisée de cet écart associée à la série présentée ci-avant, en fonction de la fréquence.
Le tracé présente un point d’inflexion et nous avons choisit celui-ci comme référence pour la constante de temps mesurée τ1/2, ici on trouve τ1/2 = (20.5kHz)−1 = 48.78μs. C’est ce paramètre que nous allons désormais étudier dans nos approches thermique et de photoconductivité.