Photodiode - Définition

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- Introduction - Généralités - Caractéristiques électriques - Fonctionnement - Cas des phototransistors - Optimisation

Fonctionnement

Quand un semi-conducteur est exposé à un flux lumineux, les photons sont absorbés à condition que l’énergie du photon ( $E p h = h ν$ ) soit supérieure à la largeur de la bande interdite (E_g). Ceci correspond à l'énergie nécessaire que doit absorber l'électron afin qu'il puisse quitter la bande de valence (où il sert à assurer la cohésion de la structure) vers la bande de conduction, le rendant ainsi mobile et capable de générer un courant électrique. L’existence de la bande interdite entraîne l’existence d’un seuil d’absorption tel que $h ν 0 = E g$ . Lors de l’absorption d’un photon, deux phénomènes peuvent se produire :

La photoémission : c'est la sortie de l’électron hors du matériau photosensible. L’électron ne peut sortir que s'il est excité près de la surface.
La photoconductivité : l’électron est libéré à l’intérieur du matériau. Les électrons ainsi libérés contribuent à la conductivité électrique du matériau.

Lorsque les photons pénètrent dans le semi-conducteur munis d’une énergie suffisante, ils peuvent créer des photoporteurs (électrons et trous d'électrons) 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 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 trou dans la ZCE, qui se dissocient sous l’action du champ 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 I_ph qui s’additionne au courant inverse de la jonction. L’expression du courant traversant la jonction est alors : $I_d = I_s (e^{E_g \over n U_t} - 1) - I_{ph}$

Cas des phototransistors

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 I_CE0. L’éclairement de la base conduit à un photocourant I_ph que l’on peut nommer courant de commande du transistor. Celui-ci apparaît dans la jonction collecteur-base sous la forme :
$I C = β I p h + I C E 0$ .

Le courant d'éclairement du phototransistor est donc le photocourant de la photodiode collecteur-base multiplié par l'amplification 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 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.