Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique.
Comme toute diode en électronique, elle est constituée d'une jonction PN. Cette configuration de base fut améliorée par l'introduction d'une zone intrinsèque (I) pour constituer la photodiode (Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du...) PIN (Pin désigne :). En absence de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) (appelé mode photovoltaïque) elle génère une tension (La tension est une force d'extension.). En polarisation inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) par une alimentation externe (mode photoampérique), elle génère un courant. On repère 3 régions distinctes :
Ce composant relève de l'optoélectronique.
Quand un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...) est exposé à un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) lumineux, les photons sont absorbés à condition que l’énergie du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) (Eph) soit supérieure à la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...) de la bande interdite (Eg). Ceci correspond à l’énergie nécessaire à l’électron pour se libérer de la barrière de potentiel (Le terme barrière de potentiel permet de désigner de façon intuitive les effets cinétiques que...) qui le maintient dans le solide. L’existence de la bande interdite entraîne l’existence d’un seuil d’absorption tel que hν0 = Eg. Lors de l’absorption d’un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...), deux phénomènes peuvent se produire :
Lorsque les photons pénètrent dans le semi-conducteur munis d’une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) suffisante, ils peuvent créer des photoporteurs en excès dans le matériau. On observe alors une augmentation du courant. Deux mécanismes interviennent simultanément :
Ces deux contributions s’ajoutent pour créer le photocourant Iph qui s’additionne au courant inverse de la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille"). L’expression du courant traversant la jonction est alors :
Une photodiode peut être représentée par une source de courant Iph (dépendant de l’éclairement), en parallèle avec la capacité de jonction Cj et une résistance de shunt Rsh d'une valeur élevée (caractérisant la fuite de courant), l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) étant en série avec une résistance interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) Rs :
Autres caractéristiques :
Pour avoir une meilleure efficacité quantique, la majorité des photoporteurs devront être créés dans la ZCE, où le taux de recombinaison est faible. On y gagne ainsi au niveau du temps de réponse de la photodiode. Pour réaliser cette condition, la photodiode devra avoir une zone frontale aussi mince que possible. Cette condition limite cependant la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de rayonnement absorbée. Il s’agit donc de faire un compromis entre la quantité de rayonnement absorbée et le temps de réponse de la photodiode : généralement . W étant la largeur de la ZCE et α, le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) d’absorption.
Nous venons de voir l’intérêt d’avoir une zone de charge d’espace suffisamment grande pour que le photocourant soit essentiellement créé dans cette zone et suffisamment mince pour que le temps de transit ne soit pas trop important. On peut toutefois augmenter artificiellement en intercalant une région intrinsèque I entre les régions de type N et de type P. Ceci conduit à un autre type de photodiode : les photodiodes PIN.
Si la polarisation inverse de la structure est suffisante, un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) important existe dans toute la zone intrinsèque et les photoporteurs atteignent très vite leur vitesse (On distingue :) limite. On obtient ainsi des photodiodes très rapides. De plus, le champ électrique dans la région de déplétion (Le terme déplétion peut faire référence à :) (la ZCE) empêche la recombinaison des porteurs, ce qui rend la photodiode très sensible.
Un phototransistor est un transistor bipolaire dont la base est sensible au rayonnement lumineux ; la base est alors dite flottante puisqu’elle est dépourvue de connexion. Lorsque la base n’est pas éclairée, le transistor est parcouru par le courant de fuite ICE0. L’éclairement de la base conduit à un photocourant Iph que l’on peut nommer courant de commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un...) du transistor. Celui-ci apparaît dans la jonction collecteur-base sous la forme : Ic = βIph + ICE0.
Le courant d'éclairement du phototransistor est donc le photocourant de la photodiode collecteur-base multiplié par le gain β du transistor. Sa réaction photosensible est donc nettement plus élevée que celle d’une photodiode (de 100 à 400 fois plus). Par contre le courant d’obscurité est plus important.
On observe une autre différence entre phototransistor et photodiode : la base du phototransistor est plus épaisse, ce qui entraîne une constante de temps plus importante et, donc une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) de coupure plus basse que celle des photodiodes. On peut éventuellement augmenter la fréquence de coupure en diminuant la photosensibilité en connectant la base à l'émetteur.