Qu’est-ce qu’une photodiode ?
Une photodiode est un élément récepteur de lumière dans lequel un courant minuscule circule dans une certaine direction lorsqu’il est irradié par la lumière.
Lorsque la lumière est irradiée sur la jonction des semi-conducteurs, un effet photoélectrique interne se produit et les électrons sont excités. Cela provoque un courant électrique qui est utilisé pour détecter le niveau de lumière irradiée. En raison de la grande précision avec laquelle la réception de la lumière est détectée, ce composant est particulièrement nécessaire pour les équipements de communication optique.
Les photodiodes sont incorporées dans différents dispositifs médicaux tels que la mesure de la concentration de gaz. Il existe principalement des structures de diodes à jonction PN, à jonction PIN et à avalanche, chacune ayant une sensibilité de réception de la lumière et une vitesse de réponse différentes.
Utilisations des photodiodes
Les utilisations typiques des photodiodes comprennent les points de captage dans les lecteurs de CD/DVD, les télécommandes de télévision et les communications optiques. En particulier, le type de jonction PIN, avec sa haute photosensibilité, est utilisé dans les systèmes de communication optique des télécommunications, mais aussi dans d’autres situations.
Des trois structures de photodiodes, c’est le type le plus utilisé. Parmi les autres utilisations, l’on peut citer les appareils de radiographie tomographique dans les équipements médicaux.
Principe des photodiodes
Les photodiodes utilisent le phénomène physique suivant : lorsque la lumière est irradiée sur l’élément, les électrons à la jonction du semi-conducteur sont excités et la quantité de lumière peut être détectée en mesurant le courant.
La longueur d’onde de la lumière qui peut être détectée dépend du matériau de la diode. Il doit être sélectionné en fonction de l’application de la longueur d’onde. Les principaux matériaux utilisés sont le silicium, le germanium et le sulfure de plomb.
1. Type à jonction PN
Lorsque la couche de déplétion à la limite entre les semi-conducteurs de type P et N est irradiée par la lumière, les électrons circulent vers le semi-conducteur de type N et les trous sont produits dans le semi-conducteur de type P à la suite du transfert d’électrons. Pendant l’irradiation lumineuse, ce flux d’électrons et de trous se produit et le flux d’électrons est détecté comme un courant, mais la vitesse de réponse est caractérisée par une réponse quelque peu lente.
2. Type à jonction PIN
Il s’agit de la structure la plus utilisée pour les photodiodes en raison de son faible bruit de fond : aussi connue sous le nom de courant d’obscurité, composée d’un semi-conducteur de type P, d’un semi-conducteur de type I et d’un semi-conducteur de type N, qui sont reliés par jonction dans l’ordre.
L’une des caractéristiques est qu’en appliquant une tension de polarisation inverse au semi-conducteur de type I, les électrons excités circulent doucement vers le semi-conducteur de type N, ce qui se traduit par une vitesse de réponse plus rapide.
3. Type à jonction à avalanche
Les semi-conducteurs de type jonction à avalanche sont caractérisés par la division de la couche semi-conductrice de type P en couche p+, couche p- et couche p, à partir du point d’électrode de la couche semi-conductrice de type P. La jonction à avalanche d’électrons se produit lorsque les électrons excités se déplacent vers la couche p+. Grâce à sa fonction d’amplification en avalanche d’électrons, elle a la propriété de pouvoir détecter une lumière très faible avec une réponse ultra-rapide. Elles sont couramment utilisées avec des tensions élevées et sont connues sous l’acronyme APD.
Autres informations sur les photodiodes
1. Circuits d’application des photodiodes
Les photodiodes ont une grande dépendance à la température lorsque les deux électrodes sont ouvertes. Lorsqu’elles sont court-circuitées, la relation entre l’intensité lumineuse et le courant n’est pas linéaire, ce qui rend difficile leur application en l’état. Par conséquent, pour les applications qui mesurent la luminosité, telles que les éclairagistes et les posemètres, l’on utilise une configuration de circuit dans laquelle la cathode de la photodiode est connectée à la borne d’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel et l’anode à la borne non inverseuse. Une résistance de contre-réaction Rf est insérée entre la borne de sortie et la borne d’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel.
Dans ce circuit, le courant de court-circuit Is x la résistance de réaction Rf correspondant à l’intensité lumineuse devient la tension de sortie de l’amplificateur opérationnel (la borne d’entrée inverseuse est la tension de référence). La tension aux deux extrémités de la photodiode (entre l’anode et la cathode) devient 0 V, c’est-à-dire équivalente à un état où les deux extrémités sont en court-circuit (court-circuit imaginaire).
Par conséquent, le courant de court-circuit Is est proportionnel à l’intensité de la lumière. Aussi, la tension de sortie de l’amplificateur opérationnel peut être exprimée comme l’intensité de la lumière. Dans un circuit réel, un condensateur Cf est connecté pour garantir un délai de réponse dû à la capacité de la photodiode, accélérant ainsi la vitesse de réponse.
2. Caractéristiques de sensibilité spectrale des photodiodes
Les photodiodes au silicium émettent un courant pour la lumière dont les longueurs d’onde sont comprises entre 320 nm et 1100 nm. Elles sont particulièrement sensibles dans la région du proche infrarouge, entre 800 nm et 1000 nm. Le domaine visible humain s’étend de 380 nm à 720 nm, avec un pic de sensibilité autour de 550 nm, ce qui diffère des caractéristiques de sensibilité spectrale des photodiodes au silicium.
Par conséquent, la sortie des photodiodes au silicium ne peut pas être traitée comme la luminosité telle qu’elle est. Par exemple, la puissance d’une photodiode au silicium augmente dans un environnement où le rayonnement proche infrarouge est élevé. La zone est invisible pour l’œil humain et ne semble donc pas lumineuse.
C’est pourquoi les caractéristiques de réponse spectrale des photodiodes au silicium doivent être adaptées aux caractéristiques de sensibilité de l’œil humain lorsqu’elles sont utilisées comme capteurs dans des éclairagistes. Dans ce cas, un filtre de correction de la sensibilité visuelle est installé sur la surface de la photodiodes au silicium.
Le germanium et l’InGaAs sont également utilisés pour des applications de longueur d’onde autres que le silicium. L’InGaAs est un matériau particulièrement adapté aux applications de longueurs d’onde supérieures à 1 µm.