Photodiodes: dispositif, caractéristiques et principes de fonctionnement
La photodiode la plus simple est une diode semi-conductrice conventionnelle qui permet d'influencer le rayonnement optique sur la jonction p - n.
A l'état d'équilibre, lorsque le flux de rayonnement est complètement absent, la concentration de porteurs, la distribution de potentiel et le diagramme de bande d'énergie de la photodiode correspondent parfaitement à la structure pn habituelle.
Lorsqu'elles sont exposées à un rayonnement dans une direction perpendiculaire au plan de la jonction pn, à la suite de l'absorption de photons d'énergie supérieure à la largeur de bande, des paires électron-trou apparaissent dans la région n. Ces électrons et trous sont appelés photoporteurs.
Lors de la diffusion du photoporteur profondément dans la région n, la fraction principale d'électrons et de trous n'a pas le temps de se recombiner et atteint la limite de jonction pn. Ici, les photoporteurs sont séparés par le champ électrique de la jonction p — n et les trous passent dans la région p, et les électrons ne peuvent pas surmonter le champ de transition et s'accumulent à la limite de la jonction p — n et de la région n.
Ainsi, le courant à travers la jonction p — n est dû à la dérive des porteurs minoritaires — trous. Le courant de dérive des photoporteurs est appelé photocourant.
Les photodiodes peuvent fonctionner dans l'un des deux modes - sans source externe d'énergie électrique (mode photogénérateur) ou avec une source externe d'énergie électrique (mode photoconvertisseur).
Les photodiodes fonctionnant en mode photogénérateur sont souvent utilisées comme sources d'énergie qui convertissent l'énergie solaire en énergie électrique. Ils sont appelés cellules solaires et font partie des panneaux solaires utilisés dans les engins spatiaux.
L'efficacité des cellules solaires au silicium est d'environ 20 %, alors que pour les cellules solaires à film, elle peut être beaucoup plus importante. Les paramètres techniques importants des cellules solaires sont le rapport de leur puissance de sortie à la masse et la surface occupée par la cellule solaire. Ces paramètres atteignent respectivement des valeurs de 200 W/kg et 1 kW/m2.
Lorsque la photodiode fonctionne en mode photoconversion, l'alimentation E est connectée au circuit dans le sens de blocage (Fig. 1, a). Les branches inverses de la caractéristique I - V de la photodiode sont utilisées à différents niveaux d'éclairage (Fig. 1, b).
Riz. 1. Schéma d'activation de la photodiode en mode photoconversion: a - circuit de commutation, b - I - V caractéristique de la photodiode
Le courant et la tension dans la résistance de charge Rn peuvent être déterminés graphiquement à partir des points d'intersection de la caractéristique courant-tension de la photodiode et de la ligne de charge correspondant à la résistance de la résistance Rn. En l'absence d'éclairement, la photodiode fonctionne sur le mode d'une diode classique. Le courant d'obscurité pour les photodiodes au germanium est de 10 à 30 μA, pour les photodiodes au silicium de 1 à 3 μA.
Si un claquage électrique réversible accompagné d'une multiplication par avalanche de porteurs de charge est utilisé dans les photodiodes, comme dans les diodes zener à semi-conducteurs, alors le photocourant, et donc la sensibilité, seront considérablement augmentés.
La sensibilité des photodiodes à avalanche peut être supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des photodiodes conventionnelles (pour le germanium - 200 - 300 fois, pour le silicium - 104 - 106 fois).
Les photodiodes à avalanche sont des dispositifs photovoltaïques à grande vitesse avec une gamme de fréquences allant jusqu'à 10 GHz. L'inconvénient des photodiodes à avalanche est le niveau de bruit plus élevé par rapport aux photodiodes conventionnelles.
Riz. 2. Schéma de circuit de la photorésistance (a), UGO (b), énergie (c) et caractéristiques courant-tension (d) de la photorésistance
En plus des photodiodes, des photorésistances (figure 2), des phototransistors et des photothyristors sont utilisés, qui utilisent l'effet photoélectrique interne. Leur inconvénient caractéristique est leur forte inertie (limitation de la fréquence de fonctionnement fgr <10 — 16 kHz), ce qui limite leur utilisation.
La conception du phototransistor est similaire à un transistor conventionnel qui a une fenêtre dans le boîtier à travers laquelle la base peut être éclairée. Phototransistor UGO - un transistor avec deux flèches pointant vers lui.
Les LED et les photodiodes sont souvent utilisées par paires.Dans ce cas, ils sont placés dans un même boîtier de sorte que la zone photosensible de la photodiode soit située en face de la zone émettrice de la LED. Les dispositifs semi-conducteurs utilisant des paires de photodiodes LED sont appelés optocoupleurs (Fig. 3).
Riz. 3. Optocoupleur : 1 — LED, 2 — photodiode
Les circuits d'entrée et de sortie de ces dispositifs ne sont en aucune manière connectés électriquement, car le signal est transmis par rayonnement optique.
Potapov L.A.