Photodiode

Photodiode:
Une photodiode est un semiconducteur formé par une simple jonction P-N photoréceptrice
généralement non amplificatrice mais dans certaine conditions une amplification interne peut se
produire, Figure(4). dans cette configuration il y a apparition de trois zones (ou régions), une zone
de charge d'espace (ZCE) et deux région neutre de type N et P. Lorsque les photons pénètrent dans
le semiconducteur, pourvu qu'il ont une énergie suffisante, peuvent créer des photoporteurs en
excès dans le matériaux. Ces photoporteurs sont des paires d'électrons-trous. Chaque paire crée
se traduit par la circulation dans le circuit extérieur d'une charge élémentaire. On observe ainsi une
augmentation du courant. Vu que les photocourants créés sont très faible, il faut que la jonction
soit polariser en inverse, d'une part pour éviter le courant en direct de la photodiode qui est
beaucoup plus important que les photocourant et d'autre par pour augmenter son rendement.
Figure 4. structure d’une photodiode.
Comme on l'a mentionner auparavant, l'absorption de la radiation est causé par l'interaction de
photons avec le matériaux. La structure de bande détermine la probabilité de l'interaction et ainsi
la caractéristique d'absorption du semiconducteur. Les longues longueurs d'onde limites de
l'absorption est donné par le gap d'énergie. La pente de l'absorption limite de longueurs d'onde
dépendent de la physique de l’interaction. Pour le silicium c'est le matériaux le plus faible que la
plus part des autres matériaux comme le germanium et l’arsenic de gallium. Ce résultat est
fortement dépendant de la profondeur de pénétration. Cette dernière est définit par la profondeur
où la divisé de 1/e de la radiation incidente. Cette profondeur de pénétration dépend de la longueur
d'onde, et qui varie de dixième de micron à 400 nm jusqu’à plus de 100µm à lamda=1000nm.
Dans la diode P-N, les porteurs photogénérés sont collectés par le champs électrique à l'intérieur
de la ZCE situé au voisinage de la jonction P-N, la figure(5) montre les modes de fonctionnements.
Le rayonnement incident génère des porteurs minoritaires c'est à dire des électrons dans la région
P et des trous dans la région N. Dans la ZCE les paires électrons trous sont dissociées par le champs
électrique. Ce courant s'appelle le courant de transit. Dans les région neutres, les porteurs
minoritaires crée diffusent jusqu’à la limite de la ZCE. On l'appelle courant de diffusion. Le courant
total sera la somme des deux courants de diffusion des zone N et P plus le courant de transit de
la ZCE.
Pour avoir la meilleur efficacité quantique, la majorité des les photoporteurs devra être créés dans
la ZCE car dans cette zone il n’y a pratiquement pas de recombinaison, ce qui veut dire que chaque
paire crée contribue a un courant externe. La largeur W de ZCE est fonction de la concentration de
dopage de la tension de polarisation inverse appliqué a la photodiode par la relation.
.
est le potentiel de diffusion et
dopants respectivement coté N et P.
la tension appliqué.
(11)
et
sont les concentrations des
Figure 5. Principe de transport de charge.
Un autre avantage d'avoir une grande largeur de charge d'espace est la vitesse, et donc la
fréquence de fonctionnement qui est limité par la capacité de la diode qui est aussi fonction de la
zone de charge d'espace par la relation:
,
étant la surface photosensible. Une
tension extérieure appliqué a la photodiode va augmenter W et rendra la fréquence de
fonctionnement plus accrue.
Si on prend par exemple
=1018 cm-3,
=1015 cm-3. Pour
=0v W=0.6µm Alors que
pour Vd=10v W=2µm. On voit bien qu'une simple Jonction P-N ne permet pas d'avoir une grande
largeur
.
Nous venons de voir
l’intérêt d’une photodiode d’avoir une
zone de charge d’espace
suffisamment grande pour que le photocourant soit essentiellement crée dans cette zone. On peut
augmenter artificiellement
en intercalant une région intrinsèque I entre les régions de type N et
de type P. Ceci ne conduit a un autre type de photodiode : photodiode PIN, figure(6). Si la
polarisation inverse de la structure est suffisante, un champ électrique important existe dans toute
la zone intrinsèque, les photoporteurs atteignent très vite leur vitesse limite. On obtient ainsi des
photodiodes très rapides. En plus le champ électrique dans la région de déplétion empêche la
recombinaison des porteurs, ce qui la photodiode très sensible.
Figure 6. Coupe transversale d’une photodiode PIN.
On trouve les photodiode dans la détection rapides des signaux faibles, asservissement,
photométrie,
instrument
de
mesure,
lecteurs
de
code
barre,
spectrophotométrie,
télécommunication par fibre optique, imagerie médicale.
Caractéristiques électriques d'une photodiode :
Une photodiode peut être représenter par une source de courant Iph (une source de courant pour
la simple raison que le courant que fournit la photodiode dépend uniquement de l'intensité de
lumière), cette source est dû à la génération des électrons trous que constitue le courant. En
parallèle avec la source, on trouve la capacité de jonction et une résistance de shunt Rsh d'une
valeur élevé et qui décrit la fuite de courant. Ensuite il existe une résistance interne de la
photodiode appelé Rs et qui en série. La figure 7 décrit le schéma équivalent d'une photodiode.
Figure 7 :Symbole d'une photodide (gauche) et sont circuit équivalent (droite)
Résistance de shunt Rsh : Si on considère une photodiode comme idéale, elle devrait avoir une
résistance de shunt égale à l'infinie. En réalité cette résistance est comprise entre 100 et 1 GW
selon la qualité de la photodiode. Cette résistance est utilisé pour calculer le courant de fuite (ou
bruit) en mode photovoltaique, c'est à dire sans polarisation de la photodiode.
Capacité de jonction Cj : on a vu qu'une photodiode comporte une zone de déplétion (zone de
charge d'espace), ce qui se traduit par une capacité, elle est inversement proportionnelle à la
largeur de charge d'espace W.
où A est la surface. W étant proportionnel à la
polarisation inverse, ce qui implique : si la polarisation augmente la capacité diminue. Cette
capacité oscille autour de 100 pF pour les faibles polarisations à quelques dizaines de pF pour les
polarisations élevées.
Résistance série Rs : cette résistance est essentiellement due à la résistance du substrat et la
résistance des contacts. Rs peut varier entre 10 et 500 W selon la surface de la photodiode.
Temps de réponse : le temps de réponse est définit comme le temps de monté ou de descente. Il
est habituellement définit comme le temps nécessaire pour atteindre les 90% du courant final de
la photodiode. Ce temps dépend de 3 facteurs :
,
et la constante de temps
.
: est le temps que parcours les porteurs dans la zone de charge d'espace.
: est le temps que parcours les porteurs dans les régions neutres.
: est la constante du temps à partir de notre schéma équivalent, la résistance est égale à la
résistance Rs plus la résistance de charge Rc (dispositif qu'on place avec la photodiode). La
capacité est égale à la capacité de jonction Cj plus la capacité de charge Cr. ce qui donne :
Ainsi la constante de temps peut être égale à :
Il n' y a pas de paramètre qui domine l'autre. D'ailleurs mesuré chaque temps est difficile à
déterminer, seul le temps global est pris en compte. En général le temps de diffusion est plus lent
que le temps de transit, c'est à dire qu'une photodiode PIN est plus rapide qu'une photodiode PN.
Caractéristiques optiques
Résponsitité : le premier paramètre important est la reponsivité (voir le début de ce dossier) c'est
à dire le courant généré par rapport à la puissance optique émise. ce facteur est dominé par le
coefficient d'absorption. Pour avoir plus d'informations sur ce coefficient d'absorption sur le
silicium vous pouvez cliquer ici ( des connaissances en physique des composants sont requises
pour comprendre ce cours).
Pour le silicium la responsivité maximale est situé vers les 780 nm.
Non uniformité : Si la photodiode est éclairé non pas sur sa totalité mais sur une partie de sa
surface, on parle alors de non uniformité puisque seul une région de la surface va créées un
courant.
Non linéarité : Une photodiode est linéaire ( courant généré proportionnel à puissance otique émise)
du moment où on dépasse pas un certain niveau d'éclairage qui peut faire saturer le courant
généré par la photodiode. si on dépasse ce seuil, la photodiode devient non linaire c'est à dire que
le photourant n'est plus proportionnel avec l'intensité de la lumière.
Comportement d'une photodiode pour 3 puissances lumineuse.
Circuits associés aux photodiodes :
Le courant issue d'une photodiode est très faible, il varie de quelques pico-ampères à quelques
micro-ampères selon l'intensité de la lumière et la surface de la photodiode.
La première étape consiste à amplifier le courant. Pour obtenir un temps de réponse qui se
rapproche de la constante du temps du photodétecteur, il faut donc que le photocourant soit
converti en tension sans que le temps de réponse du détecteur soit affecté. L’utilisation d’un
montage amplificateur transimpédance à amplificateur opérationnel (A.O.) nous parait la solution
la plus évidente, d’une part parce que la résistance de contre-réaction employée pour la conversion
courant-tension n’affecte pas le temps de réponse du capteur (l’ampli a une très large bande
passante), et d’autre par parce que
le bruit généré par cette résistance est divisé parle gain de l’ampli. L’amplificateur opérationnel
utilisé doit avoir une très large bande passante, des courants d’entrée très faibles, et par la suite
une impédance d’entrée très grande, et un bruit très faible. Typique l 'OP doit avoir un GBW > 200
Mhz et des courants d'entrés de l'ampli ne dépassant pas quelques centaines de femtoAmpères
(10-15 A).
Circuit d'amplification pour photodiode.
Pour déterminer la fréquence de coupure Fc à -3 dB en fonction de la résistance de contre réaction
RF, on utilise la relation suivante :
Où Cs est la capacité de jonction Cj du photodétecteur + capacité en mode commun Ccm de
l'entrée de l'OP + la capacité en mode différentiel Cdiff de l'OP.
Pour se fixer un ordre de grandeur, avec un photocourant provenant du photodétecteur de l’ordre
de 100 nA, si la résistance de contre-réaction RF est de l’ordre de 10 K W et le GBW de 200 Mhz,
ce qui correspond à un gain transimpédance de 104 , la tension de sortie de l’ampli opérationnel est
de l’ordre de 100 µV, en utilisant la relation, la fréquence de coupure sera de l’ordre de 20 Mhz ce
qui correspond à une période d’utilisation de 50 ns . Dans ces conditions, il faut que le temps de
réponse du détecteur soit supérieur à 25 ns pour que la caractéristique du détecteur soit
indépendante de l’ampli opérationnel. Pour augmenter la tension il faut augmenter la valeur de la
résistance, or la bande
passante diminuera, il y a donc un compromis entre RF et Fc. La tension de sortie de A1 n'est pas
suffisante, on ajoute un autre OP en configuration non inverseur ( gain 1+ R1/R2) pour tension de
sortie acceptable.
Si votre la surface de la photodiode est grande, c'est à dire que le photocourant quelle fournit est
assez élevé et si le domaine de mesure de l'intensité de lumière est de plusieurs décades, dans ce
cas il ne faut pas employer un montage linéaire mais un montage logarithmique comme le schéma
ci-dessous :
Amplificateur logarithmique de photocourants
La diode en contre réaction fournit une tension qui est fonction logarithmique du courant issue de
la photodiode. Ainsi on évite la saturation.
L'amplification du photocourant peut être aussi effectuée par des simples transistors comme le
montre le schème ci-dessous :
La tension de sortie est a peut près égale à :
. Pour avoir une tension de
sortie plus grande, utiliser un montage Darlington (double transistor avec l'émetteur de l'un dans
la base de l'autre) au lieu d'un transistor. Si le courant que délivre la photodiode est faible, utiliser
un transistor FET au lieu du bipolaire.
Circuit utilisant une photodiode pour la détection de pulse en présence de lumière ambiante :
Le circuit suivant est utilisé pour la détection de lumière pulsé (provenant d'une télécommande par
exemple. L'influence de la lumière ambiante (d'une lampe par exemple) n'est pas prise en compte
par le circuit.
Autre type de photodiode
Un autre type de photodiode qui s'appelle photodiode à avalanche dont le mécanisme est le
suivant:, on a vu que la largeur W de la charge d'espace augmente comme racine (V) lorsque la
jonction est polarisé en inverse augmente en V. La tension V ne peut augmente indéfiniment car il
existe une limite à la valeur du champ électrique. En effet lorsque le champ électrique augmente la
force électrique exercée sur les électrons liés augmente. Si cette force est supérieure à la force de
liaison des électrons de valence sur les noyaux, ces électrons sont libérés, le matériaux devient
conducteur et la tension n'augmente plus. Par exemple le champ électrique maximum dans le
silicium est de l'ordre de 106 V/cm. Cette valeur limite du champ correspond a une valeur limite de
tension qu'on appellera tension Zener Vz, l'effet de claquage de la jonction qui en résulte est appelé
effet Zener. La paire d'électron-trou créée par l'ionisation est évacuée par le champ électrique et
donne naissance à un courant inverse important. Lorsque la zone de charge d'espace n'est pas
étroite (>1µm), un autre phénomène le claquage de la jonction, l’accélération acquise par
quelques porteurs, est suffisante pour leur permettre de générer des paires électrons trou par
ionisation par choc des atomes du cristal que constitue le semiconducteur. Ces paires sont a leur
tour accélérées et peuvent crées d'autres paires, il en résultent un processus en chaîne, c'est l'effet
avalanche, figure(7). Ce processus d'avalanche nécessite non seulement un champ élevé mais
aussi une distance suffisante permettant l'accélération des porteurs. On obtient ainsi une
multiplication interne du photocourant, le gain peut être supérieur à 100. Les photodiodes à
avalanche sont généralement utilisées dans les systèmes de télécommunication par fibre optique.
Figure 7. Mécanisme d’avalanche dans le diagramme de bande d’énergie