Photodiodes
(194)Les photodiodes sont un type de composants d'une grande famille d'éléments semi-conducteurs p-n. Ils sont parfois appelés photocapteurs ou photodétecteurs. Ces éléments convertissent l'énergie des photons, donc l'énergie de la lumière, en électricité, contrairement aux LED (ang. Light-Emitting Diode), qui consomment de l'électricité pour la produire. La première application qui vient à l'esprit est celle des panneaux photovoltaïques, mais à cet effet, il existe une famille spéciale de photodiodes, appelées cellules solaires. Une autre application des photocapteurs est leur utilisation dans les capteurs de crépuscule, dans les lampes qui s'allument automatiquement lorsque l'obscurité tombe, ou dans les capteurs qui fonctionnent avec une diode laser qui éclaire directement le connecteur de la photodiode. Une telle solution est utilisée par exemple dans les rideaux laser utilisés dans l'industrie, de sorte qu’il est possible de détecter l'interruption du faisceau laser, et ainsi d'informer le système de contrôle, par exemple de la présence d'un humain dans la zone dangereuse, par exemple à proximité d'un robot industriel en fonctionnement. Ils sont également utilisés dans les compteurs et les circuits de commande ou de commutation, mais aussi comme détecteurs de lumière infrarouge, télémètres ou pour la communication par fibre optique.
Application d'une photodiode
D’habitude les photodiodes somme utilisées comme le détecteur. Grâce à l'utilisation de ce type d'élément dans le système électronique, l'utilisateur peut mesurer le niveau d'intensité lumineuse qui tombe sur la photodiode. Pour que cela se produise, la jonction p-n du photocapteur dans le système doit être polarisée en inverse. Cela signifie que la couche barrière du conducteur sera agrandie et la diffusion des porteurs majoritaires dans la zone avec le type de dopage opposé sera difficile. Cependant, si des photons d'énergie suffisamment élevée tombent sur la jonction p-n de la photodiode, ils sont capables d'éliminer des électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Si cela se produit à une distance suffisamment grande de la jonction p-n, l'électron, ainsi que le trou qui se forme ainsi, aura suffisamment de temps pour se recombiner. Cependant, si cela se produit suffisamment près de la jonction pn, l'électron sera attiré vers la broche avec le potentiel positif et le trou sera attiré vers la broche avec le potentiel négatif. Un courant va alors circuler dans un simple circuit électrique à l'aide d'une photodiode. Si plus de photons tombent sur le photocapteur par unité de temps, plus de paires trou-électron seront créées, de sorte que l'élément générera un courant de plus grande intensité. Grâce à ce principe de fonctionnement, la photodiode (ou en fait le système de mesure qui l'utilise comme capteur) est capable de mesurer l'intensité de la lumière qui lui tombe dessus.
En parlant des photodiodes, nous pouvons rencontrer souvent les caractéristiques de ce type de composants, qui est tracée sur le diagramme de courant, donné en ampères [A], en fonction de la tension, qui est donnée en volts [V]. Puisque la polarisation de la photodiode est le plus souvent inversée et puisque le courant qu'elle produit circule dans le sens inverse, les deux seront affichés comme négatifs et la partie la plus importante du graphique sera dans le troisième quadrant du système de coordonnées. Un tel graphique montre une augmentation de l'intensité du courant avec une augmentation de la différence de tension entre les bornes de la photodiode, mais seulement dans une plage très étroite, à partir de la différence de potentiel nulle, puis cette valeur se stabilise très rapidement. Une augmentation supplémentaire de la différence de tension a un effet minime sur l'augmentation du courant traversant la diode dans le sens inverse, car l'augmentation de l'intensité du courant dépend principalement de la quantité de lumière tombant sur la jonction de la photodiode. Pour cette raison, sur leurs caractéristiques, on peut remarquer plusieurs lignes déterminant les formes d'onde d'intensité de courant, en fonction de la valeur de la différence de tension appliquée à ses bornes, pour différentes intensités de la lumière incidente sur sa jonction. Pour les photodiodes, la dépendance du courant qui les traverse à l'intensité lumineuse est presque linéaire. Dans le cas où aucune lumière ne tombe sur la jonction de la photodiode, nous pouvons toujours observer une valeur négligeable du courant circulant, appelé courant noir (ang. black current). Cela est dû à l'énergie thermique qui, lorsqu'elle est fournie aux électrons dans la bande de valence, est capable de les assommer dans la bande de conduction en petites quantités.
La photodiode peut également fonctionner en mode photovoltaïque. Dans ce cas, aucune différence de potentiel externe n'est appliquée aux broches de la jonction p-n. La circulation du courant, et en fait un porteur minoritaire, se produit alors à la suite de l'exposition de la photodiode à la lumière.
Photodiode PIN
Une variante spéciale de photodiode utilisant la jonction p-n est la photodiode PIN. Elle a une large zone semi-conductrice non dopée, c'est-à-dire elle utilise dans sa structure un semi-conducteur intrinsèque situé entre la région semi-conductrice sur la région semi-conductrice de type p. Grâce à cela, la couche barrière a une épaisseur importante, ce qui rend la capacité et en même temps l'inertie de une telle photodiode est relativement faible. Il en résulte une réaction très rapide aux changements d'intensité lumineuse.
Photodiode d'avalanche
Il existe également une photodiode appelée avalanche. Sa structure et son principe de fonctionnement sont presque identiques à ceux d'une photodiode standard. La différence est qu'il peut se polariser avec une tension inverse très élevée. Les électrons qui sont éliminés dans la bande de conduction à la suite de l'incident de photons sur la jonction de la photodiode sont accélérés à un point tel qu'ils provoquent l'élimination des suivants. C'est ce qu'on appelle l'effet d'avalanche. De cette façon, même la plus petite quantité de lumière incidente sur la jonction du capteur photo peut être détectée.
Paramètres de la photodiode
Les photodiodes se caractérisent par plusieurs paramètres clés qui doivent être pris en compte lors de la sélection de l'élément approprié pour une application donnée. Premièrement il s’agit de la tension inverse maximale de la photodiode. Habituellement, elle varie de quelques à plusieurs dizaines de volts. Le dépassement de ce paramètre peut provoquer ce que l'on appelle la perforation de la diode, et par conséquent son endommagement irréversible. Il convient également de prendre en compte l'intensité du courant d'obscurité, qui est donnée en nanoampères [nA]. Il s'agit d'une valeur très faible, mais qui peut jouer un rôle important dans certaines applications. Un autre paramètre à ne pas négliger est la longueur d'onde que la diode est capable de détecter, ainsi que la longueur d'onde au point de sensibilité maximale pour laquelle la variation de la valeur du courant produit par la photodiode en fonction de l'intensité de la lumière incident sur sa jonction sera le plus grand. Ne pas sélectionner ce paramètre pour une application donnée ou pour des éléments déjà utilisés dans le système, peut conduire à une situation dans laquelle la diode ne « verra » pas le signal de la longueur d'onde souhaitée, et l'ensemble du système peut ne pas fonctionner correctement. Certaines LED peuvent avoir un filtre infrarouge pour réagir uniquement à une longueur d'onde invisible à l'œil humain. Un autre facteur important est l'angle de vision de la photodiode, qui peut varier de 10°, par exemple dans le cas de capteurs coopérant avec une diode laser, jusqu'à même 150° dans le cas de capteurs crépusculaires. Le résultat du produit de la quantité de courant produit par la photodiode et de la tension appliquée à ses bornes est la valeur de la puissance optique, qui est également souvent fournie par les fabricants. Son unité de base est le watt [W].
Les photodiodes, comme la plupart des autres composants électroniques, se présentent sous la forme d'éléments montés en surface, appelés SMD ou traversant, soi-disant THT. Il affecte également le type d'enceinte dans laquelle il sera placé. L'un des plus populaires est, par exemple, 0805, DIL (ang. Dual In Line), 3 mm ou TO5.
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