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.
. (11)
est le potentiel de diffusion et la tension appliqué. et sont les concentrations des
dopants respectivement coté N et P.

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