Photodiode - Définition

Introduction

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 beaucoup de diodes 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 PIN. En absence de polarisation (appelé mode photovoltaïque) elle crée une tension. En polarisation inverse par une alimentation externe (mode photoampérique), elle crée un courant. On repère 3 régions distinctes :

1. une zone de charge d'espace (ZCE) appelée couramment zone de déplétion et de diffusion
2. une région neutre de type N
3. une région neutre de type P.

Ce composant relève de l'optoélectronique.

Caractéristiques électriques

Une photodiode peut être représentée par une source de courant I_ph (dépendant de l’éclairement), en parallèle avec la capacité de jonction C_j et une résistance de shunt R_sh d'une valeur élevée (caractérisant la fuite de courant), l'ensemble étant en série avec une résistance interne R_s :

• 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) : . 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 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. R_s peut varier entre 10 et 500Ω selon la surface de la photodiode.

Autres caractéristiques :

• Temps 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 :
  • t_transit : temps de parcours des porteurs dans la zone de charge d'espace.
  • t_diffusion : temps de parcours des porteurs dans les régions neutres.
  • la constante de temps t_τ : constante de temps du schéma équivalent (de résistance R_S + R_C et de capacité C_j + C_γ) : t_τ = (R_S + R_C)(C_j + C_γ). Ainsi la constante de temps est égale à : . 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 et détermine les conditions d’utilisation (200nA/Lux pour les photodiodes à germanium (Ge), 10nA/Lux pour les photodiodes à silicium (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 de charges élémentaires traversant la jonction sur le nombre de photons incidents. Ce rendement dépend de la longueur d’onde du rayonnement et des paramètres de construction du composant. Il va définir le domaine spectral d’utilisation du détecteur.