: photodiode

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    : photodiode


    photodiode

       

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    : Jul 2008
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    15 . Smoke Detector Photodiode . 9 .






    . LED 90

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    : Aug 2008
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    Gnralits [modifier]
    Comme toute diode en lectronique, elle est constitue d'une jonction PN. Cette configuration de base fut amliore par l'introduction d'une zone intrinsque (I) pour constituer la photodiode PIN. En absence de polarisation (appel mode photovoltaque) elle gnre une tension. En polarisation inverse par une alimentation externe (mode photoamprique), elle gnre un courant. On repre 3 rgions distinctes :
    1. une zone de charge d'espace (ZCE)
    2. une rgion neutre de type N
    3. une rgion neutre de type P.
    Ce composant relve de l'optolectronique.

    Fonctionnement [modifier]


    Quand un semi-conducteur est expos un flux lumineux, les photons sont absorbs condition que lnergie du photon (Eph) soit suprieure la largeur de la bande interdite (Eg). Ceci correspond lnergie ncessaire llectron pour se librer de la barrire de potentiel qui le maintient dans le solide. Lexistence de la bande interdite entrane lexistence dun seuil dabsorption tel que hν0 = Eg. Lors de labsorption dun photon, deux phnomnes peuvent se produire :
    • La photomission : c'est la sortie de llectron hors du matriau photosensible. Llectron ne peut sortir que s'il est excit prs de la surface.
    • La photoconductivit : llectron est libr lintrieur du matriau. Les lectrons ainsi librs contribuent la conductivit lectrique du matriau.
    Lorsque les photons pntrent dans le semi-conducteur munis dune nergie suffisante, ils peuvent crer des photoporteurs en excs dans le matriau. On observe alors une augmentation du courant. Deux mcanismes interviennent simultanment :
    • Il y a cration de porteurs minoritaires, c'est--dire des lectrons dans la rgion P et des trous dans la rgion N. Ceux-ci sont susceptibles datteindre la ZCE par diffusion et dtre ensuite propulss vers des zones o ils sont majoritaires. En effet, une fois dans la ZCE, la polarisation tant inverse, on favorise le passage des minoritaires vers leur zone de prdilection. Ces porteurs contribuent ainsi crer le courant de diffusion.
    • Il y a gnration de paires lectron trou dans la ZCE, qui se dissocient sous laction du champ lectrique ; llectron rejoignant la zone N, le trou la zone P. Ce courant sappelle le courant de transit ou photocourant de gnration.
    Ces deux contributions sajoutent pour crer le photocourant Iph qui sadditionne au courant inverse de la jonction. Lexpression du courant traversant la jonction est alors :

    Caractristiques lectriques [modifier]

    Une photodiode peut tre reprsente par une source de courant Iph (dpendant de lclairement), en parallle avec la capacit de jonction Cj et une rsistance de shunt Rsh d'une valeur leve (caractrisant la fuite de courant), l'ensemble tant en srie avec une rsistance interne Rs :
    • Rsistance de shunt : la rsistance de shunt d'une photodiode idale est infinie. En ralit cette rsistance est comprise entre 100 kΩ et 1 GΩ selon la qualit de la photodiode. Cette rsistance est utilise pour calculer le courant de fuite (ou bruit) en mode photovoltaque, c'est--dire sans polarisation de la photodiode.
    • Capacit de jonction : cette capacit est due la zone de charge ; elle est inversement proportionnelle la largeur de charge d'espace (W) : . O A est la surface de coupe de la photodiode. W est proportionnel la polarisation inverse et la capacit diminue si la polarisation augmente. Cette capacit oscille autour de 100 pF pour les faibles polarisations quelques dizaines de pF pour les polarisations leves.
    • Rsistance interne : cette rsistance est essentiellement due la rsistance du substrat et aux rsistances de contact. Rs peut varier entre 10 et 500Ω selon la surface de la photodiode.
    Autres caractristiques :
    • Temps de rponse : il est habituellement dfini comme le temps ncessaire pour atteindre 90% du courant final dans la photodiode. Ce temps dpend de 3 facteurs :
      • ttransit : temps de parcours des porteurs dans la zone de charge d'espace.
      • tdiffusion : temps de parcours des porteurs dans les rgions neutres.
      • la constante de temps tτ : constante de temps du schma quivalent (de rsistance RS + RC et de capacit Cj + Cγ) : tτ = (RS + RC)(Cj + Cγ). Ainsi la constante de temps est gale : . Mais chaque temps est difficile dterminer ; seul le temps global est pris en compte. En gnral le temps de diffusion est plus lent que le temps de transit.
    • Photosensibilit : elle est dfinie par et dtermine les conditions dutilisation (200nA/Lux pour les photodiodes germanium (Ge), 10nA/Lux pour les photodiodes silicium (Si)). Les photodiodes Ge prsentent une photosensibilit plus importante mais leur courant dobscurit est notable I0 = 10 uA. Il est donc prfrable dutiliser des photodiodes Si (I0 = 10 pA) pour la dtection des clairements faibles.
    • Rendement de capture : cest le rapport du nombre de charges lmentaires traversant la jonction sur le nombre de photons incidents. Ce rendement dpend de la longueur donde du rayonnement et des paramtres de construction du composant. Il va dfinir le domaine spectral dutilisation du dtecteur.

    Optimisation [modifier]

    Pour avoir une meilleure efficacit quantique, la majorit des photoporteurs devront tre crs dans la ZCE, o le taux de recombinaison est faible. On y gagne ainsi au niveau du temps de rponse de la photodiode. Pour raliser cette condition, la photodiode devra avoir une zone frontale aussi mince que possible. Cette condition limite cependant la quantit de rayonnement absorbe. Il sagit donc de faire un compromis entre la quantit de rayonnement absorbe et le temps de rponse de la photodiode : gnralement . W tant la largeur de la ZCE et α, le coefficient dabsorption.
    Nous venons de voir lintrt davoir une zone de charge despace suffisamment grande pour que le photocourant soit essentiellement cr dans cette zone et suffisamment mince pour que le temps de transit ne soit pas trop important. On peut toutefois augmenter artificiellement en intercalant une rgion intrinsque I entre les rgions de type N et de type P. Ceci conduit un autre type de photodiode : les photodiodes PIN.
    Si la polarisation inverse de la structure est suffisante, un champ lectrique important existe dans toute la zone intrinsque et les photoporteurs atteignent trs vite leur vitesse limite. On obtient ainsi des photodiodes trs rapides. De plus, le champ lectrique dans la rgion de dpltion (la ZCE) empche la recombinaison des porteurs, ce qui rend la photodiode trs sensible.

    Cas des phototransistors [modifier]


    Symbole du phototransistor.


    Un phototransistor est un transistor bipolaire dont la base est sensible au rayonnement lumineux ; la base est alors dite flottante puisquelle est dpourvue de connexion. Lorsque la base nest pas claire, le transistor est parcouru par le courant de fuite ICE0. Lclairement de la base conduit un photocourant Iph que lon peut nommer courant de commande du transistor. Celui-ci apparat dans la jonction collecteur-base sous la forme :
    IC = βIph + ICE0 .
    Le courant d'clairement du phototransistor est donc le photocourant de la photodiode collecteur-base multipli par l'amplification β du transistor. Sa raction photosensible est donc nettement plus leve que celle dune photodiode (de 100 400 fois plus). Par contre le courant dobscurit est plus important.
    On observe une autre diffrence entre phototransistor photodiode : la base du phototransistor est plus paisse, ce qui entrane une constante de temps plus importante et, donc une frquence de coupure plus basse que celle des photodiodes. On peut ventuellement augmenter la frquence de coupure en diminuant la photosensibilit en connectant la base l'metteur.

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