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.



Catégories :

Diode - Composant actif - Composant électronique - Capteur - Optronique - Opto-électronique

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  • Par contre son temps de réponse (temps pour atteindre 90% du signal... 2-5) Pour la photodiode, tracer le courbe courant inverse selon la longueur... (source : physique-eea.ujf-grenoble)
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 énormément de diodes en électronique, elle est constituée d'une jonction PN. Cette configuration de base fut perfectionnée par l'introduction d'une zone intrinsèque (I) pour former la photodiode PIN. En absence de polarisation (appelé mode photovoltaïque) elle génère une tension. En polarisation inverse par une alimentation externe (mode photoampérique), elle génère un courant. On repère 3 régions différentes :

  1. une zone de charge d'espace (ZCE) nommée fréquemment 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.

Fonctionnement

Une Photodiode

Lorsque un semi-conducteur est exposé à un flux lumineux, les photons sont absorbés à condition que l'énergie du photon (Eph = hν) soit supérieure à la largeur de la bande interdite (Eg). Ceci correspond à l'énergie indispensable que doit absorber l'électron afin qu'il puisse quitter la bande de valence (où il permet de 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 hν0 = Eg. Lors de l'absorption d'un photon, deux phénomènes peuvent se produire :

Quand les photons pénètrent dans le semi-conducteur pourvus d'une énergie 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. L'expression du courant traversant la jonction est alors : I_d = I_s (eˆ{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), la totalité étant en série avec une résistance interne Rs :

Autres caractéristiques :

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 envisageable. Cette condition limite cependant la quantité de rayonnement absorbée. Il s'agit par conséquent de faire un compromis entre la quantité de rayonnement absorbée et le temps de réponse de la photodiode : le plus souvent W \geq {1 \over \alpha}. W étant la largeur de la ZCE et α, le cœfficient d'absorption.

Nous venons de voir l'intérêt d'avoir une zone de charge d'espace suffisamment grande pour que le photocourant soit principalement créé dans cette zone et suffisamment mince pour que le temps de transit ne soit pas trop important. On peut cependant 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 important existe dans toute la zone intrinsèque et les photoporteurs atteignent particulièrement vite leur vitesse limite. On obtient ainsi des photodiodes particulièrement rapides. Qui plus est , le champ électrique dans la région de déplétion (la ZCE) empêche la recombinaison des porteurs, ce qui rend la photodiode particulièrement sensible.

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 dans la mesure où elle est dépourvue de connexion. Quand 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 qu'on peut nommer courant de commande du transistor. Ce dernier apparaît dans la jonction collecteur-base sous la forme :
IC = βIph + ICE0.

Le courant d'éclairement du phototransistor est par conséquent le photocourant de la photodiode collecteur-base multiplié par l'augmentcation β du transistor. Sa réaction photosensible est par conséquent 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 , par conséquent une fréquence de coupure plus basse que celle des photodiodes. On peut peut-être augmenter la fréquence de coupure en diminuant la photosensibilité en connectant la base à l'émetteur.

Notes et références

Annexes

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