Principes de base et utilisation des photodiodes et des phototransistors

Il existe une catégorie de problèmes de conception qui peuvent être facilement résolus en utilisant la vision humaine. Par exemple, le chargement correct du papier dans une imprimante. Il est facile pour un humain de voir l'alignement, mais difficile pour un microprocesseur de le vérifier. L'appareil photo d'un téléphone portable doit mesurer la lumière ambiante pour déterminer si le flash doit être activé. Comment évaluer le niveau d'oxygène dans le sang de manière non invasive ?

La solution à ces problèmes de conception est l'utilisation de photodiodes ou de phototransistors. Ces dispositifs optoélectroniques convertissent la lumière (photons) en signaux électriques et permettent ainsi à un microprocesseur (ou microcontrôleur) de « voir ». Il peut ainsi contrôler le positionnement et l'alignement des objets, déterminer l'intensité lumineuse et mesurer les propriétés physiques des matériaux en fonction de leur interaction avec la lumière.

Cet article explique le fonctionnement des photodiodes et des phototransistors et fournit aux concepteurs les connaissances de base sur leur utilisation. Des dispositifs d'Advanced Photonix, Inc., de Vishay Semiconductor Opto Division, d'Excelitas Technologies, de Genicom Co., Ltd, de Marktech Optoelectronics et de NTE Electronics sont présentés à titre d'exemple.

Le spectre optique typiquement utilisé pour les photodiodes et les phototransistors

Les photodiodes et les phototransistors sont sensibles à une plage de longueurs d'ondes optiques. Dans certains cas, il s'agit d'une considération de conception, par exemple pour rendre l'opération invisible à l'œil humain. Le concepteur doit connaître le spectre optique afin d'adapter les dispositifs à l'application.

Le spectre optique s'étend de l'infrarouge (IR) à grande longueur d'onde à l'ultraviolet (UV) à plus courte longueur d'onde (Figure 1). Les longueurs d'ondes visibles se situent entre les deux.

Figure 1 : Partie du spectre électromagnétique, le spectre optique s'étend de l'UV à l'IR avec le spectre visible entre les deux. Le tableau répertorie les longueurs d'ondes visibles et leurs fréquences associées. (Source de l'image : Once Lighting (en haut) et Art Pini (en bas))

La plupart des dispositifs optoélectroniques sont spécifiés en utilisant leurs longueurs d'ondes de fonctionnement en nanomètres (nm) ; les valeurs de fréquence sont rarement utilisées.

Les photodiodes en silicium (Si) ont tendance à être sensibles à la lumière visible. Les dispositifs sensibles aux IR utilisent l'antimoniure d'indium (InSb), l'arséniure d'indium-gallium (InGaAs), le germanium (Ge) ou le tellurure de cadmium-mercure (HgCdTe). Les dispositifs sensibles aux UV utilisent généralement le carbure de silicium (SiC).

La photodiode

La photodiode est une jonction PIN ou P-N à deux éléments qui est exposée à la lumière à travers un corps ou un couvercle transparent. Lorsque la lumière frappe la jonction, un courant ou une tension se développe en fonction du mode de fonctionnement. La photodiode fonctionne dans l'un des trois modes suivants, en fonction de la polarisation qui lui est appliquée : mode photovoltaïque, mode photoconducteur ou mode de diode à avalanche.

Si la photodiode n'est pas polarisée, elle fonctionne en mode photovoltaïque et produit une petite tension de sortie lorsqu'elle est éclairée par une source lumineuse. Dans ce mode, la photodiode se comporte comme une cellule solaire. Le mode photovoltaïque est utile dans les applications à basses fréquences, généralement inférieures à 350 kilohertz (kHz), avec de faibles intensités lumineuses. La tension de sortie est faible, et la sortie de la photodiode requiert un amplificateur dans la plupart des cas.

Le mode photoconducteur exige que la photodiode soit à polarisation inverse. La polarisation inverse appliquée génère une région de déplétion au niveau de la jonction P-N. Plus la polarisation est importante, plus la région de déplétion est large. Une région de déplétion plus large se traduit par une capacité réduite, par rapport à une diode non polarisée, résultant en des temps de réponse plus rapides. Ce mode présente des niveaux de bruit plus élevés et peut nécessiter une limitation de la bande passante pour les contrôler.

Si la polarisation inverse est encore augmentée, la photodiode fonctionne en mode de diode à avalanche. Dans ce mode, les photodiodes fonctionnent dans une condition de polarisation inverse élevée, ce qui permet la multiplication de chaque paire électron-trou photoproduite en raison du claquage par avalanche. Il en résulte un gain interne et une sensibilité accrue dans la photodiode. Ce mode ressemble, dans son fonctionnement, à un tube photomultiplicateur.

Dans la plupart des applications, la photodiode fonctionne en mode photoconducteur avec une polarisation inverse (Figure 2).

Figure 2 : La photodiode à polarisation inverse produit un courant proportionnel à l'intensité lumineuse en raison de la création de paires électron-trou dans la région de déplétion. Les cercles bleus représentent les électrons et les cercles blancs les trous. (Source de l'image : Art Pini)

La jonction de photodiode polarisée en inverse, non éclairée présente une zone de déplétion avec peu de porteurs libres. Elle ressemble à un condensateur chargé. Il y a un petit courant causé par l'ionisation thermiquement excitée, appelé courant d'obscurité. Une photodiode idéale aurait un courant d'obscurité nul. Les niveaux de courant d'obscurité et de bruit thermique sont proportionnels à la température de la diode. Le courant d'obscurité peut dissimuler le photocourant en raison des niveaux de lumière extrêmement faibles. Il convient donc de sélectionner des dispositifs ayant un faible courant d'obscurité.

Lorsque la lumière frappe la couche de déplétion avec une énergie suffisante, elle ionise les atomes de la structure cristalline et génère des paires électron-trou. Le champ électrique existant, dû à la polarisation, entraîne le déplacement des électrons vers la cathode et des trous vers l'anode, donnant lieu à un photocourant. Plus l'intensité lumineuse est élevée, plus le photocourant est important. La caractéristique courant-tension de la photodiode à polarisation inverse le montre à la Figure 3.

Figure 3 : Le diagramme V-I caractéristique de la photodiode à polarisation inverse montre la variation progressive du courant de la diode en fonction du niveau de lumière. (Source de l'image : Art Pini)

Le graphique représente le courant inverse de la diode en fonction de la tension de polarisation inverse appliquée, avec l'intensité lumineuse comme paramètre. Notez que l'augmentation des niveaux de lumière produit une augmentation proportionnelle des niveaux de courant inverse. C'est la base de l'utilisation des photodiodes pour mesurer l'intensité lumineuse. La tension de polarisation, lorsqu'elle est supérieure à 0,5 volt (V), a peu d'effet sur le photocourant. Le courant inverse peut être converti en tension en l'appliquant à un amplificateur d'adaptation d'impédance.

Types de photodiodes

La diversité des applications de détection et de mesure de la lumière a donné lieu à une variété de types de photodiodes distincts. La photodiode de base est la jonction P-N planar. Ces dispositifs offrent les meilleures performances en mode photovoltaïque non polarisé. Ce sont également les dispositifs les plus rentables.

Le modèle 002-151-001 d'Advanced Photonix, Inc. est un exemple de photodétecteur/photodiode InGaAs à diffusion planar (Figure 4). Il se présente sous la forme d'un boîtier à montage en surface (CMS) mesurant 1,6 millimètre x 3,2 mm x 1,1 mm, avec une ouverture optique active de 0,05 mm de diamètre.

Figure 4 : Photodiode CMS P-N à diffusion planar 002-151-001 mesurant 1,6 mm x 3,2 mm x 1,1 mm. Elle a un domaine spectral de 800 nm à 1700 nm. (Source de l'image : Advanced Photonix)

Cette photodiode InGaAs a un domaine spectral de 800 nm à 1700 nm, couvrant le spectre IR. Son courant d'obscurité est inférieur à 1 nanoampère (nA). Son efficacité spectrale, qui spécifie le courant de sortie pour une entrée de puissance optique spécifique, est généralement de 1 ampère par watt (A/W). Ce dispositif est destiné à des applications telles que la détection industrielle, la sécurité et les communications.

La diode PIN est formée en insérant une couche semi-conductrice intrinsèque haute résistivité entre les couches de type P et de type N d'une diode classique ; d'où le nom de PIN, qui reflète la structure de la diode.

L'insertion de la couche intrinsèque augmente la largeur effective de la couche de déplétion de la diode, résultant en une capacité plus faible et une tension de claquage plus élevée. La capacité plus faible augmente efficacement la vitesse de la photodiode. La région de déplétion plus grande offre un volume plus important de génération électrons-trous induite par les photons et un plus haut rendement quantique.

Le VBP104SR de Vishay Semiconductor Opto Division est une photodiode PIN en silicium couvrant le domaine spectral de 430 nm à 1100 nm (du violet au proche IR). Le dispositif présente un courant d'obscurité typique de 2 nA et une grande surface optiquement sensible de 4,4 mm² (Figure 5).

Figure 5 : Le VBP104SR de Vishay est une photodiode PIN avec une grande fenêtre de détection optique destinée à la photodétection haute vitesse. (Source de l'image : Vishay Semiconductors)

La photodiode à avalanche (APD) est fonctionnellement similaire à un tube photomultiplicateur dans la mesure où elle utilise l'effet d'avalanche pour créer un gain dans la diode. En présence d'une polarisation inverse élevée, chaque paire électron-trou génère des paires additionnelles par claquage par avalanche. Il en résulte un gain sous la forme d'un photocourant plus important par photon de lumière. Cela fait de la photodiode à avalanche un choix idéal pour une faible sensibilité à la lumière.

Un exemple de photodiode à avalanche est le C30737LH-500-92C d'Excelitas Technologies. Ce dispositif a un domaine spectral de 500 nm à 1000 nm (de cyan au proche IR) avec une réponse de crête à 905 nm (IR). Il a une efficacité spectrale de 60 A/W à 900 nm avec un courant d'obscurité inférieur à 1 nA. Il est destiné aux applications à large bande passante telles que la télédétection par laser (LiDAR) automobile et les communications optiques (Figure 6).

Figure 6 : La photodiode à avalanche C30737LH-500-92C est une photodiode à large bande passante destinée à des applications telles que le LiDAR et les communications optiques. (Source de l'image : Excelitas Technology)

Photodiodes Schottky

La photodiode Schottky est basée sur une jonction métal/semi-conducteur. Le côté métal de la jonction forme l'anode, tandis que le côté semi-conducteur de type N correspond à la cathode. Les photons traversent une couche métallique partiellement transparente et sont absorbés dans le semi-conducteur de type N, libérant ainsi des paires de porteurs chargés. Ces porteurs chargés libres sont entraînés hors de la couche de déplétion par le champ électrique appliqué et forment le photocourant.

Une caractéristique importante de ces diodes est leur temps de réponse très rapide. Elles utilisent généralement de petites structures de jonction de diodes qui sont capables de réagir rapidement. Des photodiodes Schottky avec des bandes passantes de l'ordre du gigahertz (GHz) sont disponibles dans le commerce. Elles sont donc idéales pour les liaisons de communications optiques à large bande passante.

Un exemple de photodiode Schottky est le capteur optique GUVB-S11SD de Genicom Co., Ltd. (Figure 7). Cette photodiode sensible aux UV est destinée à des applications telles que l'indexation UV. Elle utilise un matériau à base de nitrure d'aluminium-gallium (AlGaN) et a une sensibilité spectrale s'étendant de 240 nm à 320 nm dans le spectre UV. Le dispositif est sensible au spectre et aveugle à la lumière visible, une caractéristique utile dans les environnements très éclairés. Il a un courant d'obscurité de moins de 1 nA et une efficacité de 0,11 A/W.

Figure 7 : Le GUVB-S11SD est un capteur optique basé AlGaN sensible aux UV dont la surface optique active est de 0,076 mm². (Source de l'image : Genicom Co, Ltd.)

Phototransistors

Le phototransistor est un dispositif semi-conducteur à jonction similaire à la photodiode, en ce qu'il génère un courant proportionnel à l'intensité lumineuse. On peut le considérer comme une photodiode avec un amplificateur de courant intégré. Le phototransistor est un transistor NPN dans lequel la connexion de base est remplacée par une source optique. La jonction base-collecteur est à polarisation inverse et exposée à la lumière extérieure par une fenêtre transparente. La jonction base-collecteur est volontairement rendue aussi large que possible pour maximiser le photocourant. La jonction base-émetteur est à polarisation directe, le courant collecteur étant fonction du niveau de lumière incidente. La lumière fournit le courant de base, qui est amplifié par l'action normale du transistor. En l'absence de lumière, un petit courant d'obscurité circule, comme dans la photodiode.

Le MTD8600N4-T de Marktech Optoelectronics est un phototransistor NPN avec une sensibilité spectrale de 400 nm à 1100 nm (du visible au proche IR), et une photoréponse de crête à 880 nm (Figure 8).

Figure 8 : Le phototransistor MTD8600N4-T produit un courant collecteur proportionnel au niveau de lumière incidente. Notez que le courant collecteur est supérieur d'un ordre de grandeur à celui d'une photodiode en raison de l'amplification du courant du transistor. (Source de l'image : Marktech Optoelectronics)

Ce phototransistor est fourni en boîtier métallique doté d'un dôme transparent. Le graphique représente le courant collecteur en fonction de la tension entre le collecteur et l'émetteur, avec l'éclairement énergétique de la lumière comme paramètre. Le courant collecteur est nettement plus élevé que le courant dans une photodiode en raison de l'amplification du courant dans le transistor.

Les phototransistors sont disponibles dans de nombreux types de boîtiers. Par exemple, le phototransistor NPN NTE3034A de NTE Electronics utilise un boîtier en époxy moulé qui reçoit la lumière par le côté. Il réagit également dans la gamme du visible au proche infrarouge avec une photoréponse de crête à 880 nm.

Conclusion

La détection de la lumière avec des phototransistors et des photodiodes est un moyen pour les microprocesseurs ou les microcontrôleurs d'appréhender le monde physique et d'implémenter des algorithmes de commande ou d'analyse en conséquence. Les phototransistors sont utilisés dans les mêmes applications que les photodiodes, bien qu'ils aient chacun leurs avantages respectifs. Les phototransistors offrent un niveau de courant de sortie plus élevé que les photodiodes, tandis que les photodiodes offrent l'avantage de fonctionner à des fréquences plus élevées.