Qu'est-ce qu'une photodiode

Qu'est-ce qu'une photodiode ?

Définition de la photodiode

Une photodiode est définie comme une diode à jonction PN qui génère un courant lorsqu'elle est exposée à la lumière. Cette jonction est formée en combinant des matériaux semi-conducteurs de type P et de type N. Le matériau de type P possède des porteurs de charge positive supplémentaires (trous), tandis que le matériau de type N possède des porteurs de charge négative supplémentaires (électrons). Lorsque ces matériaux se rencontrent, les électrons de la région de type N se déplacent dans la région de type P, recombinent avec les trous et créent une zone de déplétion. Cette zone agit comme une barrière à la diffusion supplémentaire des porteurs de charge.

Une photodiode possède deux bornes, l'anode et la cathode, qui sont connectées respectivement aux régions de type P et de type N. L'anode est généralement marquée par une languette ou un point sur le boîtier du dispositif. Le symbole d'une photodiode est montré ci-dessous, avec deux flèches pointant vers la jonction pour indiquer qu'elle est sensible à la lumière.

Principe de fonctionnement

Lorsqu'une photodiode est connectée en polarisation inverse à un circuit externe, un faible courant inverse s'écoule de l'anode à la cathode. Ce courant, appelé courant sombre, résulte de la génération thermique de porteurs de charge minoritaires dans le semi-conducteur. Le courant sombre ne dépend pas de la tension inverse appliquée, mais varie avec la température et le niveau de dopage.

Lorsque la lumière d'une énergie suffisante frappe la photodiode, elle crée des paires électron-trou dans le matériau semi-conducteur. Ce processus est également connu sous le nom d'effet photoélectrique interne. Si l'absorption de la lumière se produit dans ou près de la zone de déplétion, ces porteurs de charge sont balayés par le champ électrique à travers la jonction, créant un courant photo qui s'ajoute au courant sombre. Ainsi, les trous se déplacent vers l'anode, et les électrons se déplacent vers la cathode, et le courant inverse augmente avec l'intensité lumineuse croissante.

Le courant photo est proportionnel à l'intensité lumineuse pour une longueur d'onde et une température spécifiques. Si l'intensité lumineuse est trop élevée, le courant photo atteint une valeur maximale appelée courant de saturation, au-delà duquel il ne s'accroît plus. Ce courant de saturation dépend de la géométrie et des propriétés du matériau du dispositif.

La photodiode peut fonctionner en deux modes : le mode photovoltaïque et le mode photoconducteur.

Mode photovoltaïque

En mode photovoltaïque, aucune tension inverse externe n'est appliquée à la photodiode, ce qui la fait agir comme une cellule solaire qui génère de l'énergie à partir de la lumière. Le courant photo s'écoule à travers un court-circuit ou une impédance de charge connectée aux bornes. Si le circuit est ouvert ou a une impédance élevée, une tension s'établit à travers le dispositif, le polarisant en avant. Cette tension, appelée tension à circuit ouvert, dépend de l'intensité et de la longueur d'onde de la lumière.

Le mode photovoltaïque exploite l'effet photovoltaïque, qui est utilisé pour produire de l'énergie solaire à partir de la lumière du soleil. Cependant, ce mode présente certains inconvénients, tels que une vitesse de réponse faible, une résistance série élevée et une sensibilité faible.

Mode photoconducteur

En mode photoconducteur, une tension inverse externe est appliquée à la photodiode, et elle agit comme une résistance variable qui change sa résistance avec l'intensité lumineuse. Le courant photo s'écoule à travers un circuit externe qui fournit une tension de polarisation et mesure le courant ou la tension de sortie.

Le mode photoconducteur présente certains avantages par rapport au mode photovoltaïque, tels qu'une vitesse de réponse élevée, une résistance série faible, une sensibilité élevée et une large plage dynamique. Cependant, ce mode présente également certains inconvénients, tels que des niveaux de bruit plus élevés, une consommation d'énergie plus élevée et une linéarité moindre.

Caractéristiques de la photodiode

Les caractéristiques d'une photodiode décrivent son rendement sous différentes conditions d'intensité lumineuse, de longueur d'onde, de température, de tension de polarisation, etc. Parmi ces caractéristiques, on trouve :

Applications de la photodiode

• Communication optique

• Mesure optique

• Imagerie optique

• Commutation optique

• Génération d'énergie solaire

Conclusion

Une photodiode est un dispositif semi-conducteur qui convertit la lumière en courant électrique. Elle fonctionne selon le principe de l'effet photoélectrique interne qui crée des paires électron-trou lorsque des photons frappent la diode à jonction PN. Une photodiode fonctionne dans des conditions de polarisation inverse et a deux modes : le mode photovoltaïque et le mode photoconducteur. Une photodiode possède diverses caractéristiques, telles que la responsivité, l'efficacité quantique, la réponse spectrale, le courant sombre, la résistance sombre, le bruit, la linéarité et le temps de réponse.

Une photodiode a de nombreuses applications dans la communication optique, la mesure optique, l'imagerie optique, la commutation optique et la génération d'énergie solaire. Une photodiode peut être utilisée pour réaliser des circuits d'alarme et des circuits de comptage en détectant l'interruption de faisceaux lumineux. La photodiode est un dispositif polyvalent et utile qui peut détecter et convertir la lumière en électricité.