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Historique sur les photodétecteurs
Dès 1850, le physicien Antoine Becquerel découvre que certains matériaux génèrent du courant électrique lorsqu’ils sont soumis à un flux lumineux. Il faudra attendre la théorie quantique de la matière condensée (vers 1935) pour que ce phénomène commence à recevoir une explication satisfaisante. Néanmoins, sans attendre cette explication théorique, les photodétecteurs seront utilisés dès les années 1900 dans l’industrie photographique ainsi que dans les matériels militaires de détection infrarouge [14].
Le principe de base des détecteurs à semiconducteurs est très général et est illustré en figure II-1[14] (ci-dessous). Dans un état non photoexicité, les porteurs de ces matériaux ne parviennent pas conduire l’électricité, (a) qu’ils soient dans une bande où ils ne participent pas à la conduction (une bande de valence pleine), (b) bloqués par une barrière de potentiel (dans un détecteur Schottky) ou (c) sur un niveau quantique liant (photoconducteur extrinsèque, détecteur à puits quantique). C’est donc une transition optique entre deux ensembles de niveaux quantiques (les uns conducteurs, les autres non conducteurs) qui est à l’origine du mécanisme de photodétection: d’où le nom générique de détecteur quantique donné aux détecteurs à semiconducteurs.
Effet de l’absorption de photon par un semiconducteur
L’absorption de la lumière par un semiconducteur est un processus quantique où des électrons sont amenés à des niveaux d’énergie plus élevés. Cette augmentation d’électrons dans la bande de conduction correspond à un accroissement de la densité de trous dans la bande de valence, on parle dans ce cas de la création de paire électrons-trous qui constitue un plasma semiconducteur. En présence de champ électrique E, les porteurs de charges excédentaires vont participer au mécanisme de conduction. Cependant, il existe une compétition entre l’augmentation de la conductivité et l’augmentation de la résistivité. L’augmentation de la résistivité est due à la diffusion des porteurs dans les régions neutres ou vers les états d’impuretés. De plus, les électrons qui se trouvent dans la bande de conduction se recombinent avec les trous de la bande de valence par différents processus.
Distribution de porteurs dans un semi-conducteur photoexicité.
Dévore [15] et Bube [16] ont analysé le spectre de photoconductivité pour montrer la dépendance du maximum de la réponse spectrale avec la vitesse de recombinaison en surface, le coefficient d’absorption et la longueur de diffusion. Considérons une barrette de semiconducteur, d’épaisseur d, éclairée sur une des faces par une radiation lumineuse d’intensité I (voir figure II-2). A une distance x de la surface du matériau, la densité des porteurs de charge en excès estn (x) . Ces porteurs photoexcités vont diffuser dans une même direction x et peuvent se recombiner en volume selon un taux qui met en jeu la durée de vie en volume τ et à la surface selon un taux lié à la vitesse de recombinaison en surface S. Le taux de génération des paires de porteurs excédentaires Gn () n (x,) dépend de la t longueur d’onde du rayonnement et est donné par la relation:[16] Gn ()()F0 ()1 R()exp(() x) (3)
Où F0 () est le nombre de photons incidents/ cm2 s à la longueur d’onde , R() le coefficient de réflexion de la face avant de l’échantillon et() le coefficient d’absorption de l’échantillon diffusion des porteurs minoritaires, distances sur lesquelles les porteurs participent effectivement au mécanisme de détection. Il y a enfin les longueurs de zones de charges d’espaces, particulièrement importantes pour les détecteurs photovoltaïques. Or toutes ces longueurs ont même ordre de grandeur: de quelques m à quelques dizaines de m. Aucun mécanisme ne peut être négligé vis-à-vis d’un autre. Dans la plupart des cas, il est alors nécessaire d’avoir recours aux équations pour décrire le mécanisme de photodétection. On se limitera à une approche unidimensionnelle (le long de l’axe Ox de propagation de la lumière) négligeant ainsi les phénomènes tels que l’inhomogénéité de l’éclairement.
Le flux de photons évolue dans le semiconducteur de façon exponentiellement décroissante [14]: F(x) F0 (1 R) exp(.x) (4)
Où F0 est le flux de photons incident sur la surface. , Le coefficient d’absorption est lui-même une fonction de l’énergie des photons.
Les photons absorbés dans le semiconducteur créent des paires électrons-trous en densité n n n0 etp p p0 avec un taux de génération des porteurs Gn ( cm3 s1 ) donné parGn (x).F0 (1 R)exp( x) . Deux sorts attendent les porteurs après leur création: soit ils se recombinent avec une durée de vie ( n pour les électrons, p pour les trous) soit ils sont balayés par le champ électrique vers les contacts ohmiques sur les côtés.
Equation de Continuité
Lorsque le semiconducteur est photoexcité, les porteurs excédentaires créés se diffusent et se recombinent. L’évolution de ce régime hors équilibre est régie par les équations de continuité. G n et G p sont les taux de génération optique donnés par l’expression Gn = G p : Gn (x).F0 (1 R)exp( x) . (5)
La photoconductivité
La photoconductivité ou l’effet photoélectrique interne est la variation de la résistivité d’un semiconducteur sous l’action d’un rayonnement. La variation de la résistance ou de la conduction doit être attribuée à une variation de la concentration des porteurs de charge. La photoconductivité peut être caractérisée par la valeur de la conductivité produite par l’éclairement [2]: elec qnn q p p (11)
Oùn et p sont respectivement les mobilités des électrons et des trous ;n et p les concentrations excédentaires des électrons et des trous créés par la lumière incidente, q la charge électrique des électrons et des trous. On dira que la photoconductivité est positive si elec0 ; si elec 0 , la photoconductivité est négative. La conductivité correspondante à la concentration d’équilibre des porteurs de charges est appelée conductivité d’obscurité 0 obs . La conductivité globale est donc égale à la somme de la conductivité d’obscurité et de la conductivité à l’éclairement [2]: obs qnnp p obsele (12)
Où obs q n n0p p0 est la conductivité à l’obscurité etele la variation de la conductivité due à l’éclairement. Une absorption intrinsèque du rayonnement incident génère des transitions bande-à-bande des porteurs et fait apparaître un nombre égal d’électron et de troun p . Cette égalité signifie qu’il n’y a pas de piégeage des porteurs excédentaires photoexcités. Ce mécanisme ne peut avoir lieu que lorsque l’énergie des photons incidents est supérieure au gap du semiconducteur caractérisé par une longueur d’onde seuilg . L’absorption excitonique donne naissance à des paires électrons-trous liées, électriquement neutre, la concentration des porteurs de charges libres ne s’accroît donc pas. Si Cependant au cours des déplacements au sein du réseau les excitons absorbent une quantité d’énergie supplémentaire et se dissocient, chacun d’eux peut fournir un électron et un trou libre. Si au contraire il se produit une recombinaison d’excitons, l’absorption d’exciton ne peut augmenter la conductivité. On remarquera qu’à ce propos que Frenkel introduisit la notion d’exciton justement pour expliquer l’absence de photoconductivité dans le cas d’une forte absorption des radiations incidentes [2].
Jusqu’à présent nous avons admis que la photoconductivité correspondait à une augmentation de la conductivité du matériau. Cependant, en soumettant certains semiconducteurs à un éclairement, on provoque une augmentation de leur résistivité. Ce comportement particulier s’interprète de la manière suivante: les radiations incidentes perturbent l’équilibre existant à proximité de la surface du semiconducteur entre le taux de génération thermique et le taux de recombinaison des porteurs de charges ; ceci entraine un accroissement du taux de recombinaison dans le volume des semiconducteurs où se dirigent les porteurs minoritaires et ceci fait diminuer le nombre de porteurs de charges majoritaires , d’où une augmentation de la résistivité [2].
Pour pouvoir d’écrire quantitativement la photoconductivité, on doit connaître la concentration à l’éclairement des porteurs de charges. On peut la déterminer en faisant appel aux équations de continuité.
SCHEMA DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL
Montage Optique
Le dispositif décrit ci-dessous existe en partie dans le laboratoire des Semiconducteurs et d’Energie Solaire de l’université Cheikh Anta Diop de Dakar. Le dispositif complet est réalisé au Laboratoire d’Electronique de Montpellier en France et représente notre source d’inspiration [18]: Le montage optique doit permettre d’envoyer sur un échantillon une énergie lumineuse constante ou une densité de photons constante dans une gamme spectrale dépendant du réseau du monochromateur (voir fig. IV-1) et d’enregistrer le signal obtenu.
A partir d’une source lumineuse qui utilise une lampe halogène, le faisceau lumineux est modulé mécaniquement à basse fréquence avant de traverser un monochromateur à réseau. La rotation du réseau de ce dernier est assurée grâce à un moteur pas à pas monté directement sur son axe. Afin d’éliminer les harmoniques générés par le réseau à la sortie du monochromateur, on intercale en transmission des filtres optiques appropriés. A l’aide d’un système de quatre miroirs (deux sphériques et deux plans), le faisceau est partagé en deux, une partie est envoyée sur l’échantillon à étudier, l’autre sur une thermopile qui va constituer le capteur d’intensité lumineuse. La thermopile choisie est un détecteur pyroélectrique PLT 222 ORIEL, sa principale caractéristique est une réponse uniforme de 0.3 à 10 μm (avec une réponse de l’ordre de 2700 V/W à 15 Hz). La tension qu’elle délivre est proportionnelle à l’intensité lumineuse reçue. Elle va permettre de réguler l’alimentation de la source lumineuse afin d’obtenir une énergie constante. Du fait de leurs faibles niveaux, les deux signaux précédents doivent être amplifiés et envoyés sur deux détections synchrones dont la fréquence de référence (variable de quelques Hz à 1000 Hz) est donnée par le modulateur. Les signaux de sortie des deux détections synchrones vont être envoyés à travers une interface appropriée vers un micro-ordinateur qui sera le maître du système en dirigeant la mesure du signal, la régulation de la source lumineuse et la rotation du réseau.
Montage électronique
Pour effectuer des mesures de photoconductivité, nous disposons d’un circuit de polarisation à courant constant I (voir figure). La tension V recueillie à ses bornes dépend de sa résistance R. Ces paramètres sont liés par la relation V=RI. Lorsque la radiation monochromatique tombe sur l’échantillon, la résistance R varie à cause de la photoconduction et on obtient ΔV = RΔI + IΔR
Comme nous sommes en présence d’un courant constant ΔI = 0 et ΔV = IΔR. La variation de ΔV est proportionnelle à la variation de la photorésistance.
La configuration la plus simple pour calculer et mesurer la variation de la photoconductivité d’un semiconducteur est représentée par la figure IV-2. Le semiconducteur d’épaisseur x est inséré entre deux électrodes métalliques. L’éclairement est injecté du coté supposé transparent à ce rayonnement. L’éclairement, en pénétrant dans le semiconducteur est atténué exponentiellement. Par conséquent, la photoconductivité du matériau dépend de la direction de propagation de la lumière. On définit alors une photorésistance d’un élément semiconducteur d’épaisseur x. Sous éclairement, la résistance de cette couche varie et on mesure la variation selon le montage de la Figure III-8.
LA PHOTOCONDUCTIVITE EXPERIMENTALE DU CuInSe2 [19].
Nous présentons l’étude expérimentale du spectre de Photoconductivité du CuInSe2 faite par V. Ramanathan, T. Datta, and R. Noufi des couches minces, précisément définis par les compositions à la fabrication d’une cellule solaire en couche mince de haut rendement. Le CuInSe2 pauvre en Cu, de haute résistivité est trouvé être beaucoup plus photoconducteur que la stœchiométrie (riche en Cu), de faible résistivité. On montre que la dépendance spectrale de la photoconductivité d’une couche composite de CuInSe2 est relatée d’une façon approfondie par la réponse spectrale des cellules solaires [19].
L’étude du spectre de photoconductivité des couches minces en CuInSe 2 (CIS) de trois compositions différentes, à savoir , la quasi-stœchiométrique du CuInSe 2 , la couche de CuInSe2 pauvre en Cu ( Cu: ln: Se = 20.6: 28.6: 50.8 en % ) et la couche composite ( Cu: ln: Se = 23,5: 27,0: 49,5 en %), dans la bande spectrale 1500-800 nm (nano mètre) et dans une gamme de température 40-300 K. On désigne respectivement ces échantillons par CIS-1, CIS- 2 et CIS-C. La résistivité de ces échantillons à 300 K est environ 3101 , 104 et 103 respectivement. Dans cette étude, on a utilisé 2 à 3m de couche épaisse déposée sur un substrat d’aluminium et provenant par évaporation.
Dans ce qui suit, on compare les dépendances spectrales et les grandeurs de la photoconductivité du CIS-1 et du CIS-2, comme une première étape pour comprendre les propriétés de photoconductivité du CIS-C.
Etude comparative avec l’étude théorique
Nous présentons une étude comparative entre l’étude de la photoconductivité théorique et le spectre de photoconductivité expérimentale. L’étude théorique de la photoconductivité nous a permis de connaitre des paramètres importants dans les semiconducteurs tels que les coefficients d’absorption (photoconductivité qui se produite au voisinage du gap) et les phénomènes de recombinaisons en surface et en volume (dans le cas de la photoconductivité de forte recombinaison). Quant au spectre de photoconductivité du CuInSe2 (en fonction des concentrations des composantes du CuInSe2 ) fait à l’expérimentation, on peut en tirer que la photoconductivité dépend de plusieurs facteurs à savoir la température facteur très important, les pourcentages des concentrations des composants du matériau et aussi la présence de défaut au sein du matériau responsable de la faible valeur du photocourant. La spectroscopie de la photoconductivité expérimentale caractérise les niveaux superficiels, qui sont généralement des donneurs assurant les transitions défaut – bande de conduction. Ce type des niveaux contrôle la conductivité de l’échantillon. Vue la comparaison des deux études, faut tenir de beaucoup de phénomènes pour l’étude de la photoconductivité thermique (dépendant de la température) ou optique pour améliorer les mécanismes de pertes dans la fabrication des cellules solaires.
CONCLUSION
On étudie dans ce chapitre IV, l’étude expérimentale de la photoconductivité spectrale d’un matériau semiconducteur à savoir du CuInSe2 et de faire une étude comparative avec l’étude théorique. Quant à l’étude expérimentale de la photoconductivité du CuInSe2 , elle nous permet de démontrer la sensibilité de la photoconductivité de CuInSe2 des couches minces à la composition et le rôle de la photoconductivité dans la détermination de la réponse spectrale. L’étude comparative entre les deux photoconductivités compare celle-ci et donne les caractéristiques de chacune d’elle.
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Table des matières
LISTES DES FIGURES ET DES TABLEAUX
CHAPITRE I: STRUTURE ET PROPRIETES DU MATERIAU CuInSe
I-1 Structure cristalline du CuInSe
I-2 Propriétés optiques CuInSe 2
I-3 Propriétés électriques de CuInSe 2
CONCLUSION
CHAPITRE: II DISTRIBUTION DES PORTEURS DANS UN SEMICONDUCTEUR PHOTOEXCITE
II-1 Historique sur les photodétecteurs
II-2 Effet de l’absorption de photon par un semiconducteur
II-3 Distribution de porteurs dans un semi-conducteur photoexicité
II-4 Equation de Continuité
CHAPITRE III: ETUDE THEORIQUE DE LA PHOTOCONDUCTIVITE
III-1 Principe de fonctionnement d’une cellule Photoconductrice
III-2 La photoconductivité
III-2-1 Résolution de l’équation de continuité
III-2-2 Calcul du nombre total de paires électron-trous
III-2-3 Tracer des courbes de photoconductivité normalisée en fonction des paramètres
III-2-4 Commentaire
III-2-5 Gain de Photoconduction
III-3 SCHEMA DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL
III-3-1 Montage Optique
III-3-2 Montage électronique
CONCLUSION
CHAPITRE IV: ETUDE EXPERIMENTALE DE LA PHOTOCONDUCTIVITE DU CuInSe 2 ET ETUDE COMPARATIVE AVEC LA THEORIE
IV-1 LA PHOTOCONDUCTIVITE EXPERIMENTALE DU CuInSe 2 [19]
IV-2 Etude comparative avec l’étude théorique
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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