Les photodiodes : Composants essentiels de l’optoélectronique
La photodiode est un détecteur de lumière à très grande vitesse qui produit un courant de sortie très faible pouvant être converti en tension lorsqu’elle est exposée à la lumière.
Dispositifs optoélectroniques
La photodiode utilise une jonction en semi-conducteur pn pour convertir l’énergie lumineuse environnante en un signal électrique qui peut ensuite être traité et utilisé pour surveiller une certaine condition physique. De ce fait, les photodiodes sont un composant fondamental dans la branche de l’électronique connue plus couramment sous le nom d’« optoélectronique ». Les dispositifs optoélectroniques, tels que les photodiodes, les phototransistors et les LDR, sont capables de générer, détecter et contrôler la lumière.
Les dispositifs optoélectroniques convertissent les signaux électriques en signaux optiques et vice versa. Ainsi, nous pouvons combiner des technologies solides optiques et électroniques pour nous concentrer sur la génération, le traitement de signaux, la commutation, l’amplification et la détection de signaux lumineux sur un spectre de longueurs d’onde.
Les dispositifs optoélectroniques, y compris les photodiodes, ont des applications dans tout, des communications Internet via la fibre optique à des caméras numériques, ainsi que dans vos appareils mobiles, montres intelligentes, traceurs d’activité et détecteurs de fumée.
Ils peuvent être utilisés soit comme composants individuels, dans des matrices de photodiodes, ou sous forme de circuits intégrés photoniques pour une utilisation dans des affichages vidéo LED/OLED, des opto-isolateurs, des panneaux solaires, des systèmes d’éclairage LED, etc.
Nous pouvons ainsi établir une liste des principaux composants optoélectroniques qui pourraient être utilisés dans un projet particulier :
Sources de génération lumineuse :
- Diodes électroluminescentes (LED) – Convertissent le courant électrique directement en lumière par électroluminescence
- Affichages à cristaux liquides (LCD) – Modulent la transmission de lumière à l’aide de cristaux liquides
- Diodes laser (LD) – Produisent de la lumière cohérente et monochromatique par émission stimulée
- OLED (diodes électroluminescentes organiques) – Utilisent des composés organiques pour l’émission de lumière dans les affichages
Dispositifs de détection de lumière :
- Photodiodes – Sont des détecteurs photovoltaïques qui convertissent la lumière photonique en courant électrique
- Phototransistors – Fournissent une amplification du courant des signaux lumineux détectés
- Photodiodes à avalanche (APD) – Offrent une grande sensibilité grâce à un gain interne
- Dispositifs à couplage de charge (CCD) – Convertissent des motifs lumineux en signaux numériques
Nous voyons donc que les émetteurs et détecteurs optiques (détecteurs photovoltaïques) génèrent ou utilisent la lumière durant leur fonctionnement. Que ce soit en tant que capteur, éclairage LED ou affichage. Cependant, le dispositif photoélectronique qui nous intéresse ici est les « photodiodes ».
Les bases de la photodiode
La diode semi-conductrice à jonction PN à deux couches a de nombreuses applications dans le domaine de l’ingénierie électrique et électronique. Elles peuvent être utilisées dans des redresseurs, la régulation de tension et les circuits de modelage d’onde. Mais elles sont également extrêmement utiles en tant que dispositifs optoélectroniques où un type de diode permet à la lumière de contrôler son courant, tandis qu’un autre type de diode émet de la lumière lorsqu’un courant passe. Ces deux dispositifs sont respectivement la photodiode et la diode électroluminescente (LED).
Contrairement à la diode électroluminescente qui produit ou émet de la lumière, la photodiode est un détecteur de lumière qui reçoit la lumière et la convertit en un signal électrique. Une photodiode à jonction fonctionne sur le principe de l’effet photoélectrique.
Dans l’obscurité totale, la jonction de la diode a une résistance interne relativement élevée et bloque donc le courant. Cependant, lorsque suffisamment d’énergie lumineuse frappe sa jonction semi-conductrice, la résistance dynamique de sa jonction diminue, permettant à plus de courant de circuler. Ainsi, les photodiodes ont un gain photoconducteur.
Exemple n°1
Une photodiode à jonction est connectée en mode inverse à une alimentation de 10 volts. Quelle sera la résistance de la jonction de la diode si un courant inverse de 2,0µA circule lorsqu’elle est exposée à une intensité lumineuse de 0,1 mW/cm2 et augmente à 50µA lorsque la source lumineuse passe à 20 mW/cm2 ?
1. Résistance de jonction à 0,1 mW/cm2
2. Résistance de jonction à 20 mW/cm2
Nous voyons donc que la résistance dynamique de la jonction d’une photodiode passe de 5MΩ à 200kΩ à mesure que l’intensité lumineuse augmente. Par conséquent, nous pourrions dire que les photodiodes peuvent être considérées comme des dispositifs résistifs variables contrôlés par l’intensité lumineuse.
Construction de la photodiode
Fondamentalement, la photodiode se compose d’une combinaison de deux types différents de matériaux semi-conducteurs pour créer une jonction conductrice entre eux. Une seule jonction pn est formée en dopant le silicium (ou d’autres semi-conducteurs comme le germanium, l’arséniure de gallium ou l’arséniure de gallium indium) avec différents types d’impuretés, selon la longueur d’onde de la lumière à détecter.
Cela permet à certaines photodiodes de répondre à la lumière visible, tandis que d’autres, comme la photodiode ronde de 5 mm 940nm pour Arduino, réagissent davantage aux longueurs d’onde infrarouges (IR) supérieures.
La région p contient des trous (transporteurs de charge positive) tandis que la région n contient des électrons libres. En d’autres termes, le matériel de type n a un surplus, tandis que le matériel de type p a une déficience d’électrons. En conséquence, une région de déplétion se forme où les transporteurs de charge mobiles sont épuisés, créant un champ électrique interne à travers la jonction pn.
Les électrons sont balayés de la région p vers la région n, et les trous dans la direction opposée. Comme les porteurs de charge sont uniformément séparés à travers la jonction entre les deux zones dopées de manière opposée, une tension interne est établie à travers la jonction pn.
Lorsque la lumière photonique externe avec suffisamment d’énergie frappe la jonction des photodiodes, cela crée des paires électron-trou en excitant des électrons de la bande de valence à la bande de conduction du matériau semi-conducteur. Si la jonction pn est connectée, un petit courant photoélectrique proportionnel à la quantité d’intensité lumineuse incidente circulera à travers la jonction. Cela est connu sous le nom d’effet photovoltaïque à zéro-biais.
Si une tension inverse externe est appliquée à travers la photodiode, elle élargira la région de déplétion de la jonction, augmentant sa sensibilité à la lumière. Ainsi, les photodiodes sont des diodes sensibles à la lumière qui fonctionnent dans un état de polarisation inverse (similaire aux diodes Zener), contrôlant le flux de courant en proportion directe de l’intensité, exprimée comme l’irradiance (mW/cm2), de la source lumineuse comme montré.
Photodiode à jonction PN basique et symbole
Nous voyons donc qu’une photodiode nécessite un approvisionnement d’excitation en polarisation inverse constant et qu’à une tension inverse donnée, le flux de courant augmente avec une augmentation de la lumière. Ensuite, à partir des courbes caractéristiques I-V des photodiodes ci-dessus, à une très faible intensité lumineuse, pratiquement aucun courant ne circule, juste un faible courant de fuite. Cela est appelé le courant noir des photodiodes. Notez qu’un courant noir plus faible indique une meilleure performance, surtout dans les applications à faible luminosité.
À mesure que le niveau d’illumination au niveau de la jonction pn augmente, la résistance de la jonction diminue et le courant inverse augmente, faisant migrer la courbe caractéristique vers le point “Bâ€. Ainsi, tant que la tension de polarisation inverse à travers la diode ne dépasse pas son seuil de rupture, la photodiode se comporte comme un générateur de courant constant, la valeur du courant dépendant de l’intensité de la lumière incidente.
Notez que le symbole d’une photodiode est très similaire à celui d’une diode redresseuse en pn, sauf qu’il contient des flèches pointant vers la diode. Ces flèches représentent la lumière ou les photons d’énergie.
Types et variations de photodiodes
En plus de la photodiode à jonction pn de base décrite ci-dessus, d’autres types de photodiodes existent qui peuvent également être utilisés comme détecteurs de lumière. Ce sont notamment :
La photodiode PIN
La photodiode PIN possède une couche intrinsèque (non dopée), (“iâ€) entre ses régions semi-conductrices positives (P) et négatives (N). Cela crée une région de déplétion plus large qui permet à la photodiode PIN de répondre à des niveaux lumineux beaucoup plus faibles sur une bande spectrale beaucoup plus large. De plus, le champ électrique fixe dans la région de déplétion “i†plus large signifie qu’il y a une plus grande chance que des électrons libres soient générés car moins d’énergie est requise pour pénétrer plus profondément dans la région de déplétion.
Donc, la photodiode PIN est plus efficace que la photodiode standard à jonction pn, car cette couche intrinsèque supplémentaire réduit la valeur de la capacité interne de la jonction de la diode, permettant une réponse plus rapide sur une large gamme de lumière incandescente. Cela rend les photodiodes PIN idéales pour des applications à haute fréquence et pour les communications en fibre optique.
Les photodiodes à avalanche
La photodiode à avalanche fonctionne sous une tension de polarisation inverse élevée supérieure à 100 volts. Cette haute tension, avec un courant faible, provoque des électrons libres hautement excités à créer des paires électron-trou supplémentaires par ionisation d’impact lorsqu’ils sont soumis à la lumière. Cela signifie que la photodiode à avalanche exploite le phénomène de multiplication en avalanche, chaque photon de lumière provoquant la libération de plusieurs électrons.
Un atout de la photodiode à avalanche est que cet effet de multiplication en avalanche fournit un gain interne linéaire élevé, augmentant considérablement sa sensibilité. Évidemment, l’inconvénient est qu’elles nécessitent une polarisation à haute tension.
Les photodiodes Schottky
La photodiode Schottky est basée sur la diode Schottky à barrière métallique. Elle utilise une jonction métal-semi-conducteur au lieu d’une jonction pn normale, créant un champ électrique intégré à l’interface. Lorsque la lumière pénètre la jonction semi-conductrice, les photons génèrent des paires électron-trou, les électrons se déplaçant vers le métal et les trous vers le semi-conducteur, produisant ainsi le courant photocurrent nécessaire.
Les photodiodes Schottky offrent des temps de réponse spectrale plus rapides et de bonnes performances comparées aux photodiodes à jonction pn ou aux photodiodes PIN. Cela les rend idéales pour des applications de détection de lumière UV et à grande vitesse en raison de leur faible capacité et de l’absence de région de déplétion dans le matériau semi-conducteur métal.
Comment utiliser une photodiode
Maintenant que nous avons appris le fonctionnement de base de la photodiode et les différents types disponibles, il est temps de voir comment nous pouvons les utiliser dans l’un de nos circuits ou projets.
Le circuit de détection de lumière le plus basique avec une photodiode est celui d’un circuit diviseur de tension comme montré :
Circuit simple de photodiode
Ici, une photodiode comme la photodiode PIN BPW34 est connectée en polarisation inverse à une alimentation d’excitation à tension constante.
Si l’intensité lumineuse en mW/cm2 est nulle (obscurité), seul un très petit courant noir inverse circulera à travers la diode. Ainsi, la chute de tension I2R à travers la résistance série sera pratiquement nulle, produisant une tension de sortie nulle VOUT.
À mesure que le niveau de lumière augmente, les photons frappent la jonction pn de la diode créant un courant photoélectrique dans le sens de polarisation inverse. Ce courant photoélectrique produit une chute de tension, et par conséquent, une tension de sortie à travers R. À mesure que l’intensité lumineuse augmente encore, plus de courant circule, créant une plus grande chute de tension I2R.
La relation entre le courant photoélectrique et l’intensité lumineuse est basée sur l’hypothèse que la tension de polarisation inverse (VPD) à travers la diode est maintenue constante. Cela signifie que si nous voulons que la diode se comporte comme une source de courant qui dépend uniquement de l’intensité lumineuse, alors VPD doit être maintenue presque constante.
Par conséquent, si nous voulons que la chute de tension de la photodiode reste constante à mesure que le courant photoélectrique varie, la résistance série R doit être très faible, afin que la chute de tension induite par le courant photoélectrique soit également faible.
Mais si nous voulons détecter le courant produit par la photodiode, nous devrons utiliser une forme de convertisseur courant-tension ayant une impédance d’entrée très faible (idéalement zéro).
L’amplificateur transimpédance
La manière la plus simple et pratique de transformer un courant en tension est d’utiliser un amplificateur opérationnel configuré en tant qu’amplificateur transimpédance. Les photodiodes peuvent produire cette conversion courant-tension lorsqu’elles sont présentées avec une charge haute impédance, mais sont généralement couplées avec des amplificateurs transimpédance pour convertir leur petit courant photoélectrique en un signal de tension beaucoup plus grand.
L’amplificateur de transimpédance est un convertisseur courant-tension (I-V), qui, comme son nom l’indique, prend un courant d’entrée (IIN) et produit une tension de sortie (VOUT). Le gain d’un tel amplificateur est essentiellement : VOUT = A*IIN, où A est le gain de l’amplificateur en volts par ampère. C’est : V/I ou résistance, mais est normalement exprimé en V/mA plutôt qu’en ohms.
L’avantage d’utiliser un amplificateur opérationnel comme amplificateur de photodiode est que nous pouvons exploiter l’entrée virtuel-terre de l’amplificateur, ce qui fait que la charge de la photodiode est l’impédance d’entrée élevée de l’amplificateur sans avoir besoin du circuit diviseur de tension précédent.
Amplificateur de photodiode transimpédance
Comme nous pouvons le voir, la diode est connectée à la terre virtuelle de l’amplificateur, le courant de photodiode IPD étant le même que le courant à travers la résistance de rétroaction R1. Cette rétroaction force l’amplificateur à convertir le courant photoélectrique de la diode sans qu’aucune tension ne soit présente à son entrée inverseuse.
Le gain ouvert de l’amplificateur mesure le courant IPD à travers la photodiode et le convertit en une tension de sortie par microampère d’entrée (V/mA), égale au courant de la diode multiplié par la résistance de rétroaction R1. Ainsi, le gain de l’amplificateur est déterminé par la valeur résistive de la résistance de rétroaction R1. C’est-à -dire : R1 = A.
Malgré la simplicité des circuits ci-dessus, la conversion courant-tension de l’amplificateur transimpédance agissant comme un amplificateur de photodiode peut restreindre sa bande passante AC en raison de la capacité parasitaire intégrée de la jonction de la diode. Cela s’explique par le fait que toute tension développée à travers la photodiode réagit avec sa capacité de jonction, détournant une partie du courant photoélectrique de la diode à des fréquences élevées et réduisant sa bande passante supérieure.
Une façon de surmonter ce problème et d’étendre la bande passante AC du circuit est d’isoler complètement la photodiode de la tension du signal en configurant l’amplificateur opérationnel comme un tampon à gain unitaire.
Amplificateur suiveur de tension
Ici, le courant photoélectrique (IPD) généré par la diode circule à travers la résistance R1 produisant une chute de tension à travers celle-ci. Comme l’amplificateur opérationnel est configuré comme un suiveur de tension, il isole la tension développée à travers R1 de sa sortie, livrant un signal de sortie presque idéal de : VOUT = -IPD*R1.
Exemple n°2
Une photodiode avec une sensibilité de 5mV/pA doit être utilisée avec un amplificateur transimpédance pour construire un photomètre. Si la photodiode produit un petit courant proportionnel à l’intensité lumineuse incidente dans une plage allant de 50pA à 0.01 lux (courant noir) à 5nA à 1000 lux (pleine luminosité). Calculez la valeur de la résistance de rétroaction requise pour l’amplificateur.
Si la sensibilité de la diode est de 5mV/pA et qu’elle produit un courant photoélectrique de 5nA à 1000 lux. Alors :
Cela signifie que le gain global de l’amplificateur opérationnel serait de : 1 x 109. Bien qu’il soit possible de mettre en œuvre un tel gain élevé en utilisant un seul circuit amplificateur à étage avec une résistance de rétroaction de 1000 MΩ, toute quantité de bruit ou d’instabilité dans le circuit ou l’alimentation, si petite soit-elle, serait aussi amplifiée 1 x 109 fois.
Une autre approche consisterait à réduire le gain de l’amplificateur transimpédance pour produire une tension de sortie en nano-volts (nV), puis à utiliser un second amplificateur opérationnel inversant pour amplifier le signal jusqu’à la sortie requise en millivolts (mV) comme indiqué.
Circuit amplificateur de photodiode
Ici, nous avons sélectionné la résistance de rétroaction de l’amplificateur transimpédance pour une valeur plus appropriée de 1 MΩ, ce qui produira un gain de tension pour le premier étage de 1 x 106. C’est 1000 nV/pA. Si le gain global requis est de 1 x 109, alors le gain de tension du second étage sera de : 1 x 103. C’est-à -dire 1000.
Ainsi, la tension de sortie du circuit à 5pA (courant noir) sera :
50 pA x 1 x 109 = 50 mV
et la tension de sortie du circuit à 5nA (pleine luminosité) sera :
50 nA x 1 x 109 = 5 Volts
Résumé du tutoriel
Nous avons constaté ici que les dispositifs optoélectroniques produisent ou utilisent de la lumière dans leur fonctionnement. La polyvalence et la fiabilité des photodiodes les rendent indispensables dans les systèmes optoélectroniques modernes puisqu’elles peuvent être utilisées pour convertir l’énergie lumineuse (énergie photonique) directement en courant électrique.
Les photodiodes sont des dispositifs semi-conducteurs à deux broches utilisés en mode photovoltaïque avec un biais zéro pour fournir un fonctionnement linéaire et des vitesses de commutation élevées. Une petite quantité de courant appelée courant noir circulera à travers la diode même en l’absence de lumière. Toutefois, lorsqu’une photodiode est éclairée, elle permet à un courant faible de circuler créant une tension.
Les photodiodes existent sous toutes les formes et tailles, avec des lentilles intégrées ou des filtres optiques pour détecter différentes longueurs d’onde de lumière. Ainsi, elles sont largement utilisées dans des applications d’imagerie, les matrices de photodiodes formant la base des appareils photo numériques et des instruments scientifiques, la détection de lumière ambiante dans les affichages et les systèmes de sécurité comme les détecteurs de fumée.
