Supplément 1.13: Photodiodes à semi-conducteurs      (2/4)

Structure et fonctionnement d'une photodiode

Aux courants mentionnés à la page précédente concernant une diode à semi-conducteur s'ajoute, dans le cas des photodiodes, un courant supplémentaire qui dépend de l'éclairage : le courant photoélectrique $I_{foto}$. Celui-ci est proportionnel à la luminosité, ce qui explique pourquoi les photodiodes sont particulièrement adaptées aux mesures quantitatives de la lumière. La courbe caractéristique d'une photodiode est décrite par l'équation de Shockley étendue comme suit :

Le graphique suivant montre son évolution pour des intensités lumineuses croissant de manière régulière.

Les courbes caractéristiques d'une photodiode en fonction de l'intensité d'éclairage ϕ croissante. Lorsque la diode est utilisée en sens inverse, on parle de fonctionnement photoconducteur, car la conduction du courant résulte presque exclusivement de l'effet photoélectrique. Utilisée en sens direct, elle fonctionne en mode photovoltaïque, dans lequel le courant de conduction s'ajoute au courant photoélectrique.

Une comparaison avec la courbe caractéristique d'une diode présentée à la page précédente montre que le courant de conduction reste limité à de faibles valeurs sur le graphique de la photodiode. Il joue en effet un rôle secondaire pour les photodiodes. En raison de leur signe opposé, le courant photoélectrique est contraire au courant de conduction. C'est pourquoi les photodiodes sont utilisées exclusivement dans les zones de la courbe caractéristique où le courant de conduction est très faible ou bien où le courant photoélectrique domine.

Les données du graphique permettent d'estimer la sensibilité S par rapport aux photodiodes sous vide et aux photomultiplicateurs. Un flux énergétique de 10 mW produit un courant photoélectrique d'environ 4 mA. Par conséquent :

Cette valeur est environ 10 fois supérieure à celle des détecteurs à vide. Cela s'explique par le fait qu'un photon absorbé par une photocathode à vide ne donne pas toujours lieu à un électron libre. Dans les semi-conducteurs, les photoélectrons n’ont pas besoin de passer dans le vide ; ils restent dans le semi-conducteur, ce qui améliore considérablement le rendement. Ainsi, l’effet photoélectrique interne dans les semi-conducteurs s’avère très avantageux par rapport à l’effet photoélectrique externe des photocathodes sous vide.

Ces détecteurs peuvent être classés en deux groupes en fonction de leur utilisation :

• Cellules solaires (ou cellules photovoltaïques) pour lesquelles la puissance électrique délivrée ou le rendement doit être maximal. Elles fonctionnent en mode photovoltaïque. Les variations de signal dans le temps, dues par exemple à l'évolution de la couverture nuageuse, sont lentes ; les cellules n'ont donc pas besoin d'être rapides. Elles sont principalement composées de silicium, mais aussi d'autres semi-conducteurs, voire de matériaux organiques, avec une structure cristalline ou amorphe. Des critères tels que le rendement, la durée de vie, la disponibilité des matières premières et les coûts de fabrication sont prioritaires. Ces thèmes ne seront pas abordés plus en détail ici.
• Les photodiodes au sens strict, dotées d'une sensibilité aussi élevée que possible et d'une réponse temporelle rapide, afin de pouvoir mesurer également de faibles luminosités et des fréquences de signal élevées ou de courtes impulsions laser. Cet objectif est atteint grâce aux diodes PIN. Dans les diodes PIN, une couche non dopée ou dopée de manière neutre, appelée couche i, est présente entre les couches dopées p et n. isignifie « intrinsèque », c'est-à-dire conductrice par nature. La figure suivante illustre la structure de ces diodes. Cependant, les photodiodes pn sont également couramment utilisées, car elles présentent un bruit de fond inférieur à celui des diodes pin lorsqu'elles fonctionnent sans polarisation (c'est-à-dire en court-circuit).

Structure d'une photodiode PIN. La couche p n'a qu'une épaisseur d'environ 0,1 µm en raison de la forte absorption de la lumière par le silicium. C'est donc principalement dans la couche i, d'une épaisseur comprise entre 10 et 100 µm, que se produit l'effet photoélectrique. La couche n a une épaisseur comprise entre 100 et 200 µm.

Une tension externe appliquée dans le sens inverse (fonctionnement photoconducteur) extrait les porteurs de charge mobiles de la couche i, qui se comporte alors comme un isolant. Le champ électrique de la tension externe reste donc confiné à la couche i. Sous l'effet de la lumière, l'effet photoélectrique interne génère des électrons et des électrons de défaut dans la couche i. Sous l'action du champ électrique, les électrons sont très rapidement accélérés vers la couche p et les électrons de défaut vers la couche n ; ils traversent ces couches, atteignent les bornes électriques de la diode et sont disponibles sous forme de courant photoélectrique. Sans champ électrique dans la couche i, les porteurs de charge atteindraient les bornes par diffusion lente. Cela augmenterait le taux de recombinaison indésirable des électrons et des électrons de défaut, réduisant ainsi la sensibilité de la diode.

D'un point de vue électrique, la photodiode s'apparente à un condensateur à plaques, dont les deux plaques sont constituées des couches p et n du semi-conducteur. La création d’une zone appauvrie en porteurs de charge dans la couche i sous l’effet d’une tension externe s’apparente à l’écartement des plaques du condensateur, ce qui entraîne une diminution de la capacité. Cela permet d’atteindre des fréquences limites plus élevées pour la mesure de signaux lumineux à haute fréquence.