La photodiode


cette article est conçut pour la photodiode _sont fonctionnement  _ses caractéristiques _ses applications ...  premièrement on vas le définir : alors 
Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique.












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 ( une zone qui ne contient qu'un seul composant chimique ) pour constituer la photodiode PIN . En absence de polarisation (appelé mode photovoltaïque) elle crée une tension. En polarisation inverse par une alimentation externe , 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.


  •     Fonctionnement :


Quand un semi-conducteur est exposé à un flux lumineux, les photons sont absorbés à condition que l’énergie du photon   (E_{ph}=h\nu)   soit supérieure à la largeur de la bande interdite (Eg) .  Ceci correspond à l'énergie nécessaire que doit absorber l'électron afin qu'il puisse quitter la bande de valence  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\nu_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  Iph 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}



  •              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 étant en série avec une résistance interne 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 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 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 de parcours des porteurs dans la zone de charge d'espace.
    • tdiffusion : temps de parcours des porteurs dans les régions neutres.
    • la constante de temps tτ : constante de temps du schéma équivalent (de résistance RS + RC  et de capacité  (Cj + Cγ)  :  t_\tau = (R_S + R_C) (C_j + C_\gamma) .              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 (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.


  •       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 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 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 important existe dans toute la zone intrinsèque et les photoporteurs atteignent très vite leur vitesse limite. On obtient ainsi des photodiodes très rapides. De plus, le champ électrique dans la région de déplétion ( ZCE) empêche la recombinaison des porteurs, ce qui rend la photodiode très sensible.

  •   Applications:


En association avec une LED infrarouge, les utilisations les plus courantes sont dans la robotique avec le cas du suiveur de ligne ou de la détection d'obstacle sur de courte distance ; et aussi dans les télécommandes les récepteurs numériques.                            les photodiodes  sont souvent utiliser dans la télécommunication .  


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