Qu’est-ce qu’une photodiode à avalanche ?
Les photodiodes à avalanche, également appelées APD, sont un type de photodiode (PD) capable de convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique. Elles sont utilisées pour détecter la lumière et des forces et faiblesses spécifiques. Elles se caractérisent notamment par leur vitesse ultra-rapide et leur excellente réactivité. Elles peuvent également générer une amplification par avalanche d’électrons. Cela leur confère la caractéristique d’avoir une fonction d’amplification lorsqu’une forte tension inverse est appliquée, permettant ainsi de détecter même des signaux optiques faibles.
Utilisations des photodiodes à avalanche
Les photodiodes à avalanche (APD) sont un type de photodiodes, mais en raison de leurs caractéristiques, elles ont une application légèrement différente : elles sont utilisées pour mesurer l’intensité lumineuse et détecter des signaux lumineux. Elles sont incorporées dans une large gamme de produits que nous utilisons. Les APD sont utilisées de la même manière pour détecter la lumière. La lumière très faible pouvant être détectée par les photodiodes ordinaires peut l’être par les APD. En effet, la tension inverse élevée appliquée provoque une amplification par avalanche, ce qui entraîne un changement important dans la détection de la lumière, même faible.
Principe des photodiodes à avalanche
Comme leur nom l’indique, les APD provoquent une avalanche d’électrons lorsqu’une tension inverse élevée est appliquée. L’avalanche d’électrons est un phénomène dans lequel la collision d’un seul électron entraîne la production d’autres électrons, les uns après les autres. Dans ce cas, les photons qui entrent en collision avec les atomes semi-conducteurs génèrent des électrons qui sont accélérés par la haute tension appliquée. Les électrons accélérés entrent ensuite en collision avec d’autres atomes à grande vitesse, produisant des électrons les uns après les autres. Ce phénomène est appelé “amplification par avalanche”, car les électrons sont générés et amplifiés à la manière d’une avalanche.
La structure est une jonction pn où les semi-conducteurs de type p et n sont combinés, mais il y a une couche p avec une concentration de porteurs différente. La structure se compose d’une couche p à forte concentration de porteurs et d’une couche p à faible concentration de porteurs chevauchant la jonction pn normale. La couche p à faible concentration de porteurs absorbe la lumière et génère des trous, tandis que la couche p dans la jonction pn accélère les électrons générés avec une tension élevée pour générer une avalanche d’électrons, ce qui entraîne une amplification de l’avalanche. Si la lumière détectée est faible, peu d’électrons et de trous sont générés. Cette amplification peut toutefois générer beaucoup plus d’électrons, ce qui est utile pour détecter la lumière faible.
Avantages et inconvénients des photodiodes à avalanche
Les propriétés suivantes sont des avantages des photodiodes à avalanche ;
- Photosensibilité élevée
- Temps de réponse rapide
- Grande fiabilité
Bien qu’elles offrent les caractéristiques de haute qualité susmentionnées, elles présentent également des inconvénients, tels que la nécessité de tensions inverses élevées lors de leur utilisation et la variation de l’effet de multiplication de l’avalanche en fonction de la température.
Marché mondial des photodiodes à avalanche
Le marché mondial des photodiodes à avalanche devrait atteindre 150 millions USD (soit environ 140 millions d’euros) en 2019 et devrait croître à un taux de croissance annuel moyen de 3,5 % entre 2020 et 2027, pour atteindre une taille de marché de plus de 200 millions USD (soit plus de 180 millions d’euros) d’ici 2027.
Les photodiodes à avalanche sont extrêmement polyvalentes et être utilisées dans les domaines de l’aérospatiale, dans les technologies de l’information et les applications médicales… Ce marché devrait continuer de croître à l’avenir.
Voici quelques-uns des facteurs de croissance et de restriction du marché :
- Facteurs de croissance du marché
Les applications dans l’industrie de la technologie optique, la demande croissante d’appareils et de systèmes de diagnostic dans le domaine médical et la numérisation rapide dans les pays en développement sont considérés comme des facteurs de croissance du marché. - Facteurs de restriction du marché
Les problèmes techniques et caractéristiques liés à l’utilisation des photodiodes à avalanche limitent la polyvalence de ces dernières, ce qui constitue un facteur de restriction de la croissance du marché.
Développement des photodiodes à avalanche
Les photodiodes à avalanche sont peu pratiques car elles nécessitent des tensions inverses élevées et le facteur de multiplication dépend de la température. La recherche et le développement de photodiodes à avalanche pouvant être utilisées avec des tensions inverses plus faibles sont donc en cours afin de rendre les dispositifs plus faciles d’utilisation.
Divers autres types de photodiodes à avalanche font également l’objet de recherches et de développements, notamment des photodiodes à avalanche montées en surface, des photodiodes à avalanche qui inhibent les effets de la lumière ambiante et des photodiodes à avalanche de grande surface qui maintiennent l’uniformité du facteur de multiplication.