Photodiode - Définition et Explications

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symbole de la photodiode
symbole de la photodiode

Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique.

Généralités

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 :

  1. une zone de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) d'espace (ZCE)
  2. une région neutre de type N
  3. une région neutre de type P.

Ce composant relève de l'optoélectronique.

Fonctionnement

Une Photodiode

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 :

  • La photoémission : c'est la sortie de l’électron hors du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) photosensible. L’électron ne peut sortir que s'il est excité près de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...).
  • La photoconductivité : l’électron est libéré à l’intérieur du matériau. Les électrons ainsi libérés contribuent à la conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se...) du matériau.

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 :

  • Il y a création de porteurs minoritaires, c'est-à-dire des électrons dans la région P et des trous dans la région N. Ceux-ci sont susceptibles d’atteindre la ZCE par diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) et d’être ensuite propulsés vers des zones où ils sont majoritaires. En effet, une fois dans la ZCE, la polarisation étant inverse, on favorise le passage des minoritaires vers leur zone de prédilection. Ces porteurs contribuent ainsi à créer le courant de diffusion.
  • Il y a génération de paires électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) trou dans la ZCE, qui se dissocient sous l’action du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique ; l’électron rejoignant la zone N, le trou la zone P. Ce courant s’appelle le courant de transit ou photocourant de génération.

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 : I_d = I_s (e^{E_g \over n U_t} - 1) - I_{ph}

Caractéristiques électriques

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 :

  • Résistance de shunt : la résistance de shunt d'une photodiode idéale est infinie. En réalité cette résistance est comprise entre 100 kΩ et 1 GΩ selon la qualité de la photodiode. Cette résistance est utilisée pour calculer le courant de fuite (ou bruit) en mode photovoltaïque, c'est-à-dire sans polarisation de la photodiode.
  • Capacité de jonction : cette capacité est due à la zone de charge ; elle est inversement proportionnelle à la largeur de charge d'espace (W) : C_j = {\delta_{SC} \over W} A. Où A est la surface de coupe de la photodiode. W est proportionnel à la polarisation inverse et la capacité diminue si la polarisation augmente. Cette capacité oscille autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de 100 pF pour les faibles polarisations à quelques dizaines de pF pour les polarisations élevées.
  • Résistance interne : cette résistance est essentiellement due à la résistance du substrat et aux résistances de contact. Rs peut varier entre 10 et 500Ω selon la surface de la photodiode.

Autres caractéristiques :

  • Temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de réponse : il est habituellement défini comme le temps nécessaire pour atteindre 90% du courant final dans la photodiode. Ce temps dépend de 3 facteurs :
    • ttransit : temps que parcours les porteurs dans la zone de charge d'espace.
    • tdiffusion : temps que parcours les porteurs dans les régions neutres.
    • la constante de temps tτ : constante de temps du du schéma équivalent (de résistance RS + RC et de capacité Cj + Cγ) : tτ = (RS + RC)(Cj + Cγ). Ainsi la constante de temps est égale à : \sqrt{{t_{transit}}^2 + {t_{diffusion}}^2 + {t_\tau}^2}. Mais chaque temps est difficile à déterminer ; seul le temps global est pris en compte. En général le temps de diffusion est plus lent que le temps de transit.
  • Photosensibilité : elle est définie par S_{ph} = {\Delta I_{ph} \over \Delta E} et détermine les conditions d’utilisation (200nA/Lux pour les photodiodes à germanium (Le germanium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Ge...) (Ge), 10nA/Lux pour les photodiodes à silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) (Si)). Les photodiodes Ge présentent une photosensibilité plus importante mais leur courant d’obscurité est notable I0 = 10 uA. Il est donc préférable d’utiliser des photodiodes Si (I0 = 10 pA) pour la détection des éclairements faibles.
  • Rendement de capture : c’est le rapport du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de charges élémentaires traversant la jonction sur le nombre de photons incidents. Ce rendement dépend de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d’onde du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) et des paramètres de construction du composant. Il va définir le domaine spectral d’utilisation du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...).

Optimisation

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 \geq {1 \over \alpha}. 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.

Cas des phototransistors

symbole du phototransistor.
symbole du phototransistor.

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.

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