Qu'est-ce qu'une photodiode ? (Partie 1)

Photodiodeest un dispositif semi-conducteur qui convertit la lumière en courant, et entre les couches p (positive) et n (négative), il y a une couche intrinsèque. Une photodiode reçoit de l'énergie lumineuse comme entrée pour produire un courant électrique. Les photodiodes sont également appelées photodétecteurs, capteurs photoélectriques ou détecteurs de lumière.

La photodiode fonctionne dans des conditions de polarisation inverse, c'est-à-dire que le côté P de la photodiode est connecté à l'électrode négative de la batterie (ou alimentation), et le côté N est connecté à l'électrode positive de la batterie. Les matériaux de photodiode typiques sont le silicium, le germanium, le phosphure d'arséniure d'indium et de gallium et l'arséniure d'indium et de gallium.

À l'intérieur, la photodiode a un filtre de lumière, une lentille intégrée et une surface. Lorsque la surface de la photodiode est augmentée, le temps de réponse est réduit. Très peu de photodiodes ressemblent à des diodes électroluminescentes (LED). Il a deux terminaux, comme indiqué ci-dessous. La borne la plus petite sert de cathode et la borne la plus longue sert d'anode.

Le symbole de la photodiode est similaire au symbole de la LED, mais la flèche pointe vers l'intérieur et non vers l'extérieur de la LED. L'image ci-dessous montre le symbole de la photodiode.

1. Principe de la photodiode

Les photodiodes fonctionnent en créant une paire de trous d'électrons lorsqu'un photon énergétique frappe la diode. Ce mécanisme est également connu sous le nom d'effet photoélectrique interne. Si l'absorption se produit dans la jonction de la région d'appauvrissement, les porteurs sont retirés de la jonction par le champ électrique interne dans la région d'appauvrissement.

Habituellement, lorsque la lumière illumine la jonction PN, la liaison covalente est ionisée. Cela crée des trous et des paires d'électrons. Le photocourant est généré en raison de la génération de paires électron-trou. Lorsque des photons d'énergie supérieure à 1,1 eV frappent la diode, des paires électron-trou se forment. Lorsque le photon pénètre dans la région d'appauvrissement de la diode, il frappe l'atome avec une énergie élevée. Cela se traduit par la libération d'électrons de la structure atomique. Lorsque des électrons sont libérés, des électrons libres et des trous sont créés.

En général, les électrons ont une charge négative et les trous ont une charge positive. L'énergie épuisée aura un champ électrique intégré. A cause de ce champ électrique, la paire électron-trou est éloignée de la jonction PN. Ainsi, les trous se déplacent vers l'anode et les électrons se déplacent vers la cathode pour produire un photocourant.

L'intensité d'absorption des photons et l'énergie des photons sont proportionnelles l'une à l'autre. Moins la photo a d'énergie, plus elle en absorbe. Tout ce processus s'appelle l'effet photoélectrique interne.

L'excitation intrinsèque et l'excitation extrinsèque sont deux méthodes d'excitation photonique. Le processus d'excitation intrinsèque se produit lorsque les électrons de la bande de valence sont excités par des photons dans la bande de conduction.

2. Circuit de travail de la photodiode

Les photodiodes fonctionnent principalement dans trois modes différents, qui sont :

(1)Mode photovoltaïque

(2)Mode photoconducteur

(3) Mode diode à avalanche

(1)Mode photovoltaïque

Ce mode est également appelé mode de polarisation nulle. Ce mode est préféré lorsque les photodiodes fonctionnent dans des applications à basse fréquence et des applications lumineuses à super niveau d'énergie. Lorsque le flash frappe la photodiode, il crée une tension. La tension résultante aura une très petite plage dynamique et aura des caractéristiques non linéaires. Lorsque la photodiode est configurée avec OP-AMP dans ce mode, le changement de température sera très faible.

(2)Mode photoconducteur

Dans ce mode, la photodiode fonctionnera dans des conditions de polarisation inverse. La cathode est positive et l'anode est négative. Lorsque la tension inverse augmente, la largeur de la couche d'appauvrissement augmente également. En conséquence, le temps de réponse et la capacité de jonction seront réduits. En revanche, ce mode de fonctionnement est rapide et génère du bruit électronique.

(3) Mode diode à avalanche

Les diodes à avalanche fonctionnent dans des conditions de polarisation inverse élevées, ce qui permet à la panne d'avalanche de se multiplier à chaque paire électron-trou produite par la photoélectricité. Le résultat est le gain interne de la photodiode, qui augmente lentement la réponse de l'appareil.

(4)Circuit photodiodes

Le schéma de circuit de la photodiode est illustré ci-dessous. Le circuit peut être construit avec une résistance 10k et une photodiode. Une fois que la photodiode remarque la lumière, elle laisse passer du courant. La somme du courant fourni à travers la diode peut être proportionnelle à la somme de la lumière observée à travers la diode.

3. Connectez la photodiode au circuit externe

La photodiode fonctionne dans un circuit polarisé en inverse. L'anode est reliée à la masse du circuit et la cathode est reliée à la tension d'alimentation positive du circuit. Lorsqu'il est éclairé par la lumière, un courant électrique circule de la cathode à l'anode.

Lorsque les photodiodes sont utilisées avec un circuit externe, elles sont connectées à une alimentation électrique dans le circuit. Le courant généré par la photodiode sera très faible. Cette valeur de courant n'est pas suffisante pour piloter le dispositif électronique. Par conséquent, lorsqu'ils sont connectés à une alimentation externe, cela fournit plus de courant au circuit. La batterie est donc utilisée comme source d'alimentation. La source de la batterie contribue à augmenter la valeur actuelle, contribuant ainsi à de meilleures performances des appareils externes.

4. Processus de fabrication des photodiodes

Matériau photodiode

Le matériau d'une photodiode détermine nombre de ses caractéristiques. La caractéristique clé est l'onde de lumière à laquelle la photodiode répond, et l'autre est le niveau de bruit, qui dépendent tous deux en grande partie du matériau utilisé dans la photodiode.

Différentes réponses aux longueurs d'onde se produisent en raison de l'utilisation de différents matériaux car seuls les photons avec suffisamment d'énergie pour exciter les électrons dans la bande interdite du matériau produisent une énergie significative pour générer le courant de la photodiode.

Alors que la sensibilité à la longueur d'onde du matériau est très importante, un autre paramètre qui peut avoir un impact significatif sur les performances de la photodiode est le niveau de bruit généré.

En raison de leur plus grande bande interdite, les photodiodes au silicium produisent moins de bruit que les photodiodes au germanium. Cependant, il est également nécessaire de prendre en compte la longueur d'onde de la photodiode requise, et des photodiodes au germanium doivent être utilisées pour des longueurs d'onde supérieures à environ 1000 nm.

Allez à la partie 2 pour en savoir plus.

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