Qu'est-ce qu'une photodiode: principe de fonctionnement et ses caractéristiques

Une photodiode est un Diode à jonction PN qui consomme de l'énergie lumineuse pour produire un courant électrique. Parfois, il est également appelé photo-détecteur, détecteur de lumière et photo-capteur. Ces diodes sont particulièrement conçues pour fonctionner dans des conditions de polarisation inverse, cela signifie que le côté P de la photodiode est associé à la borne négative de la batterie, et le côté n est connecté à la borne positive de la batterie. Cette diode est très complexe à allumer, donc lorsque la lumière tombe sur la diode, elle change facilement la lumière en courant électrique. La cellule solaire est également considérée comme une photodiode de grande surface car elle convertit l'énergie solaire en énergie électrique . Cependant, la cellule solaire ne fonctionne que sous une lumière vive.

Qu'est-ce que la photodiode?

Une photodiode est un type de détecteur de lumière, utilisé pour convertir la lumière en courant ou en tension en fonction du mode de fonctionnement de l'appareil. Il comprend des filtres optiques, des lentilles intégrées et également des surfaces. Ces diodes ont un temps de réponse lent lorsque la surface de la photodiode augmente. Les photodiodes sont semblables aux diodes semi-conductrices ordinaires, mais elles peuvent être soit visibles pour laisser la lumière atteindre la partie délicate de l'appareil. Plusieurs diodes destinées à utiliser exactement comme une photodiode utilisera également une jonction PIN un peu plus que la jonction PN habituelle.

Certaines photodiodes ressembleront à une diode électroluminescente . Ils ont deux terminaux venant de la fin. La plus petite extrémité de la diode est la borne de la cathode, tandis que l'extrémité la plus longue de la diode est la borne de l'anode. Voir le schéma de principe suivant pour les côtés anode et cathode. Dans la condition de polarisation directe, le courant conventionnel circulera de l'anode vers la cathode, en suivant la flèche dans le symbole de la diode. Le photocourant circule dans le sens inverse.

Types de photodiode

Bien qu'il existe de nombreux types de photodiode disponibles sur le marché et qu'ils fonctionnent tous sur les mêmes principes de base, bien que certains soient améliorés par d'autres effets. Le fonctionnement de différents types de photodiodes fonctionne d'une manière légèrement différente, mais le fonctionnement de base de ces diodes reste le même. Les types de photodiodes peuvent être classés en fonction de leur construction et de leurs fonctions comme suit.

• Photodiode PN
• Diode photo Schottky
• Photodiode PIN
• Photodiode d'avalanche

Photodiode PN

Le premier type de photodiode développé est le type PN. Par rapport aux autres types, ses performances ne sont pas avancées, mais à l'heure actuelle, il est utilisé dans plusieurs applications. La photodétection se produit principalement dans la région d'appauvrissement de la diode. Cette diode est assez petite mais sa sensibilité n'est pas excellente par rapport aux autres. Veuillez vous référer à ce lien pour en savoir plus sur la diode PN.

Photodiode PIN

À l'heure actuelle, la photodiode la plus couramment utilisée est un type PIN. Cette diode rassemble les photons lumineux plus puissamment par rapport à la photodiode PN standard car la large zone intrinsèque entre les régions P et N permet de collecter plus de lumière, et en plus de cela, elle offre également une capacité inférieure. Veuillez consulter ce lien pour en savoir plus sur la diode PIN.

Photodiode d'avalanche

Ce type de diode est utilisé dans les zones à faible éclairage en raison de ses niveaux de gain élevés. Il génère des niveaux de bruit élevés. Cette technologie ne convient donc pas à toutes les applications. Veuillez vous référer à ce lien pour en savoir plus sur la diode Avalanche.

Photodiode Schottky

La photodiode Schottky utilise la diode Schottky et comprend une petite jonction de diode, ce qui signifie qu'il y a une petite capacité de jonction, elle fonctionne donc à des vitesses élevées. Ainsi, ce type de photodiode est fréquemment utilisé dans les systèmes de communication optique à large bande passante (BW) tels que les liaisons à fibres optiques. Veuillez vous référer à ce lien pour en savoir plus sur la diode Schottky.

Chaque type de photodiode a ses propres avantages et inconvénients. La sélection de cette diode peut se faire en fonction de l'application. Les différents paramètres à considérer lors de la sélection de la photodiode comprennent principalement le bruit, la longueur d'onde, les contraintes de polarisation inverse, le gain, etc. Les paramètres de performance de la photodiode comprennent la réactivité, l'efficacité quantique, le temps de transit ou le temps de réponse.

Ces diodes sont largement utilisées dans les applications où la détection de la présence de lumière, de couleur, de position, d'intensité est requise. Les principales caractéristiques de ces diodes sont les suivantes.

• La linéarité de la diode est bonne par rapport à la lumière incidente
• Le bruit est faible.
• La réponse est large spectrale
• Robuste mécaniquement
• Léger et compact
• Longue vie

Les matériaux nécessaires pour fabriquer une photodiode et la gamme de la gamme de longueurs d'onde du spectre électromagnétique comprend les éléments suivants

• Pour le matériau en silicium, la gamme de longueurs d'onde du spectre électromagnétique sera (190-1100) nm
• Pour les matériaux au germanium, la gamme de longueurs d'onde du spectre électromagnétique sera de (400-1700) nm
• Pour le matériau d'arséniure d'indium et de gallium, la plage de longueurs d'onde du spectre électromagnétique sera de (800-2600) nm
• Pour le sulfure de plomb (II), la plage de longueurs d'onde du spectre électromagnétique sera<1000-3500) nm
• Pour le mercure, matériau tellurure de cadmium, la plage de longueurs d'onde du spectre électromagnétique sera (400-14000) nm

En raison de leur meilleure bande interdite, les photodiodes à base de Si produisent un bruit plus faible que les photodiodes à base de Ge.

Construction

La construction de la photodiode peut être réalisée en utilisant deux semi-conducteurs comme le type P et le type N. Dans cette conception, la formation du matériau de type P peut être réalisée à partir de la diffusion du substrat de type P qui est légèrement dopé. Ainsi, la couche d'ions P + peut être formée grâce à la méthode de diffusion. Sur le substrat de type N, la couche épitaxiale de type N peut être développée.

Construction de photodiode

Le développement d'une couche de diffusion P + peut se faire sur la couche épitaxiale de type N fortement dopée. Les contacts sont conçus avec des métaux pour faire deux bornes comme l'anode et la cathode. La région avant de la diode peut être séparée en deux types comme les surfaces actives et non actives.

La conception de la surface non active peut être réalisée avec du dioxyde de silicium (SiO2). Sur une surface active, les rayons lumineux peuvent frapper dessus alors que, sur une surface non active, les rayons lumineux ne peuvent pas frapper. & la surface active peut être recouverte à travers le matériau anti-reflet de sorte que l'énergie de la lumière ne puisse pas perdre et la plus élevée de celle-ci puisse être transformée en courant.

Fonctionnement de la photodiode

Le principe de fonctionnement d'une photodiode est que, lorsqu'un photon d'une grande énergie frappe la diode, il forme un couple d'électrons. Ce mécanisme est également appelé effet photoélectrique interne. Si l'absorption se produit dans la jonction de la région d'appauvrissement, alors les porteurs sont retirés de la jonction par le champ électrique intégré de la région d'appauvrissement.

Principe de fonctionnement de la photodiode

Par conséquent, les trous dans la région se déplacent vers l'anode et les électrons se déplacent vers la cathode, et un photocourant sera généré. L'intégralité du courant traversant la diode est la somme de l'absence de lumière et du photocourant. Le courant absent doit donc être réduit pour maximiser la sensibilité de l'appareil.

Modes de fonctionnement

Les modes de fonctionnement de la photodiode comprennent trois modes, à savoir le mode photovoltaïque, le mode photoconducteur, un mode diode à avalanche

Mode photovoltaïque: Ce mode est également connu sous le nom de mode de polarisation zéro, dans lequel une tension est produite par la photodiode allégée. Cela donne une très petite plage dynamique et une nécessité non linéaire de la tension formée.

Mode photoconducteur: La photodiode utilisée dans ce mode photoconducteur est plus généralement polarisée en inverse. L'application de tension inverse augmentera la largeur de la couche d'appauvrissement, ce qui à son tour diminue le temps de réponse et la capacité de jonction. Ce mode est trop rapide et affiche du bruit électronique

Mode diode d'avalanche: Les diodes d'avalanche fonctionnent dans une condition de polarisation inverse élevée, ce qui permet la multiplication d'une panne d'avalanche à chaque paire électron-trou photo-produite. Ce résultat est un gain interne dans la photodiode, qui augmente lentement la réponse de l'appareil.

Pourquoi la photodiode fonctionne-t-elle en polarisation inverse?

La photodiode fonctionne en mode photoconducteur. Lorsque la diode est connectée en polarisation inverse, la largeur de la couche d'appauvrissement peut être augmentée. Cela diminuera donc la capacité de la jonction et le temps de réponse. En fait, cette polarisation entraînera des temps de réponse plus rapides pour la diode. La relation entre le photocourant et l'éclairement est donc linéairement proportionnelle.

Quelle est la meilleure photodiode ou phototransistor?

La photodiode et le phototransistor sont utilisés pour convertir l'énergie de la lumière en énergie électrique. Cependant, le phototransistor est plus réactif que la photodiode en raison de l'utilisation du transistor.

Le transistor modifie le courant de base qui provoque en raison de l'absorption de la lumière et donc l'énorme courant de sortie peut être gagné dans toute la borne de collecteur du transistor. La réponse temporelle des photodiodes est très rapide par rapport au phototransistor. Il est donc applicable en cas de fluctuation du circuit. Pour mieux comprendre, nous avons répertorié ici quelques points de photodiode par rapport à la photorésistance.

Circuit de photodiode

Le schéma de circuit de la photodiode est illustré ci-dessous. Ce circuit peut être construit avec une résistance de 10k et une photodiode. Une fois que la photodiode a remarqué la lumière, elle permet un certain flux de courant à travers elle. La somme du courant qui alimente cette diode peut être directement proportionnelle à la somme de la lumière remarquée à travers la diode.

Schéma

Connexion d'une photodiode dans un circuit externe

Dans n'importe quelle application, la photodiode fonctionne en mode polarisation inverse. La borne d'anode du circuit peut être connectée à la masse tandis que la borne de cathode est connectée à la source d'alimentation. Une fois éclairé par la lumière, le courant circule de la borne de cathode à la borne d'anode.

Une fois que les photodiodes sont utilisées avec des circuits extérieurs, elles sont alors associées à une source d'alimentation dans le circuit. Ainsi, la quantité de courant généré à travers une photodiode sera extrêmement faible, donc cette valeur n'est pas suffisante pour fabriquer un appareil électronique.

Une fois qu'ils sont connectés à une source d'alimentation extérieure, il délivre plus de courant vers le circuit. Dans ce circuit, la batterie est utilisée comme source d'alimentation pour aider à augmenter la valeur du courant afin que les appareils externes offrent de meilleures performances.

Efficacité photodiode

L’efficacité quantique de la photodiode peut être définie comme la division des photons absorbés qui donnent au photocourant. Pour ces diodes, il est ouvertement associé à la sensibilité «S» sans effet d’avalanche, alors le photocourant peut s’exprimer par

I = S P = ηe / hv. P

Où,

«Η» est l’efficacité quantique

«E» est la charge de l’électron

«Hν» est l’énergie du photon

L’efficacité quantique des photodiodes est extrêmement élevée. Dans certains cas, il sera au-dessus de 95%, mais change considérablement à travers la longueur d'onde. Une efficacité quantique élevée nécessite le contrôle des réflexions en dehors d'une efficacité interne élevée comme un revêtement antireflet.

La réactivité

La réactivité d'une photodiode est le rapport du photocourant qui est généré ainsi que la puissance optique absorbée peut être déterminée dans la section linéaire de la réponse. Dans les photodiodes, elle est normalement maximale dans une zone de longueur d'onde partout où l'énergie des photons est assez supérieure à l'énergie de la bande interdite et diminue dans la région de la bande interdite là où l'absorption diminue.

Le calcul de la photodiode peut être effectué sur la base de l'équation suivante

R = η (e / hv)

Ici, dans l’équation ci-dessus, «h ν» est l’énergie du photon «η» est l’efficacité du quantique et «e» la charge de l’élémentaire. Par exemple, l'efficacité quantique d'une photodiode est de 90% à une longueur d'onde de 800 nm, alors la réactivité sera de 0,58 A / W.

Pour les photomultiplicateurs et les photodiodes à avalanche, il existe un facteur supplémentaire pour la multiplication du courant interne, de sorte que les valeurs possibles seront supérieures à 1 A / W. Généralement, la multiplication du courant n'est pas incluse dans le rendement quantique.

Photodiode PIN Vs Photodiode PN

Les deux photodiodes comme PN et PIN peuvent être obtenues auprès de nombreux fournisseurs. Une sélection de photodiode est très importante lors de la conception d'un circuit basé sur les performances requises ainsi que sur les caractéristiques.
Une photodiode PN ne fonctionne pas en polarisation inverse et, par conséquent, elle est plus appropriée pour les applications de faible luminosité pour améliorer les performances du bruit.

La photodiode PIN qui fonctionne en polarisation inverse peut introduire un courant de bruit pour diminuer le rapport S / N
Pour les applications à plage dynamique élevée, la polarisation inverse donnera de bonnes performances
Pour les applications à haut BW, la polarisation inverse fournira de bonnes performances comme la capacité entre les régions de P & N et le stockage de la capacité de charge est faible.

Avantages

Le avantages de la photodiode inclure les éléments suivants.

• Moins de résistance
• Vitesse de fonctionnement rapide et élevée
• Longue durée de vie
• Photodétecteur le plus rapide
• La réponse spectrale est bonne
• N'utilise pas de haute tension
• La réponse en fréquence est bonne
• Solide et léger
• Il est extrêmement sensible à la lumière
• Le courant sombre est lees
• Haute efficacité quantique
• Moins de bruit

Désavantages

Le inconvénients de la photodiode inclure les éléments suivants.

• La stabilité de la température est mauvaise
• Le changement dans le courant est extrêmement faible, donc peut ne pas être suffisant pour piloter le circuit
• La zone active est petite
• La photodiode à jonction PN habituelle comprend un temps de réponse élevé
• Il a moins de sensibilité
• Cela fonctionne principalement en fonction de la température
• Il utilise une tension de décalage

Applications de la photodiode

• Les applications des photodiodes impliquent des applications similaires de photodétecteurs comme les dispositifs à couplage de charge, les photoconducteurs et les tubes photomultiplicateurs.
• Ces diodes sont utilisées dans les appareils électroniques grand public comme détecteur de fumée , lecteurs de disques compacts, téléviseurs et télécommandes dans les magnétoscopes.
• Dans d'autres appareils grand public comme les radios-réveils, les photomètres et les lampadaires, les photoconducteurs sont plus fréquemment utilisés que les photodiodes.
• Les photodiodes sont fréquemment utilisées pour mesurer précisément l'intensité de la lumière dans la science et l'industrie. En général, ils ont une réponse améliorée et plus linéaire que les photoconducteurs.
• Les photodiodes sont également largement utilisées dans de nombreuses applications médicales comme des instruments pour analyser des échantillons, des détecteurs pour la tomodensitométrie, et également utilisés dans les moniteurs de gaz du sang.
• Ces diodes sont beaucoup plus rapides et plus complexes que les diodes à jonction PN normales et sont donc fréquemment utilisées pour la régulation de l'éclairage et les communications optiques.

Caractéristiques V-I de la photodiode

Une photodiode fonctionne en continu dans un mode de polarisation inverse. Les caractéristiques de la photodiode sont clairement montrées sur la figure suivante, à savoir que le photocourant est presque indépendant de la tension de polarisation inverse qui est appliquée. Pour une luminance nulle, le photocourant est quasiment nul, sauf pour le petit courant d'obscurité. Il est de l'ordre des nano ampères. Lorsque la puissance optique augmente, le photocourant augmente également de manière linéaire. Le photocourant maximum est incomplet par la dissipation de puissance de la photodiode.

Caractéristiques

Ainsi, il s'agit de la principe de fonctionnement de la photodiode , caractéristiques et applications. Les appareils optoélectroniques comme les photodiodes sont disponibles dans différents types qui sont utilisés dans presque tous les appareils électroniques. Ces diodes sont utilisées avec des sources de lumière IR telles que néon, laser LED et fluorescent. Par rapport aux autres diodes de détection de lumière, ces diodes ne sont pas chères. Nous espérons que vous avez une meilleure compréhension de ce concept. De plus, toute question concernant ce concept ou à mettre en œuvre projets électriques et électroniques pour les étudiants en génie . Veuillez donner vos précieuses suggestions en commentant dans la section des commentaires ci-dessous. Voici une question pour vous, quelle est la fonction d'une photodiode ?

Crédits photo:

• Photodiode Hamamatsu
• Fonctionnement de la photodiode physique-et-radio-électronique
• Caractéristiques V-I de la photodiode ecetutoriels