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

Circuits électroniques

Les possibilités offertes par les circuits électroniques apparaissent clairement lorsque l'on ajoute des droites de résistance au diagramme caractéristique d'une photodiode.

Courbe caractéristique d'une photodiode avec des droites de résistance

Les courbes caractéristiques d'une photodiode en fonction de l'intensité lumineuse ϕ, complétées par des droites de résistance représentant différents modes de fonctionnement d'une photodiode.

Le schéma suivant, qui présente les branchements de base, explique les différents modes de fonctionnement.

a) b) c)
Les possibilités de montage d'une photodiode.

La version a) ne nécessite aucune tension d'alimentation externe. La photodiode est utilisée en mode photovoltaïque. Elle constitue une source de courant dépendante de l'éclairage. Le courant photoélectrique génère une tension $U_{R}$ aux bornes de la résistance $R$ . Cela correspond à la droite de résistance rouge partant de l'origine dans le diagramme des caractéristiques, avec $R = 330 Ω$ . Au lieu de la résistance ohmique, il est également possible d’utiliser une autre charge électrique. Les cellules solaires fonctionnent selon ce principe, la courbe de charge étant tracée de manière à obtenir la puissance électrique maximale $P = U_{R} I_{f o t o}$ .

La droite de résistance rouge montre que la linéarité du signal de sortie $U_{R}$ diminue à mesure que l'éclairement augmente, lorsque le courant de conduction de la diode s'ajoute au courant photoélectrique. Ce phénomène est encore plus marqué pour des valeurs de résistance très élevées ou des courants de diode très faibles. La droite jaune de résistance illustre ce phénomène pour $R \to \infty$ ; elle se situe presque sur l’axe des tensions dans la zone de conduction. Si l’on pose $I_{D} = 0$ dans l’équation de Shockley pour les photodiodes

I_{D} = I_{D, o} (e^{U_{D} / U_{T}} - 1) - I_{f o t o}

et que l’on prend le logarithme de l’équation, on obtient :

U_{D} = U_{T} ln (\frac{I_{f o t o}}{I_{D, o}} + 1)

La tension aux bornes de la diode est proportionnelle au logarithme du courant photoélectrique et donc à la luminosité. La résistance $R$ peut être supprimée et la diode peut être raccordée directement à un voltmètre à haute impédance (multimètre, oscilloscope). Le courant de blocage $I_{D, o}$ étant très sensible à la température, ce circuit est peu adapté aux mesures logarithmiques de la luminosité.

Équations ↓

La version b) utilise une tension de fonctionnement positive externe $U_{B}$ au niveau de la cathode. Cela correspond à la droite de résistance en pointillés rouges dans le diagramme des caractéristiques, avec $U_{B} = 4 V$ et $R = 1 k Ω$ . Dans l'obscurité, $I_{f o t o} = 0$ ; la tension de blocage appliquée à la photodiode est alors presque égale à la tension de fonctionnement. Cette limitation résulte du courant de blocage $I_{D, o}$ , qui génère une valeur de base gênante et dépendante de la température lors de la mesure de signaux lumineux faibles. Un éclairage croissant produit une tension $U_{R}$ proportionnelle à la luminosité.

Comme indiqué à la page 2, la capacité d’une photodiode PIN avec une tension de blocage externe est faible ; ce circuit est donc adapté à la mesure de hautes fréquences lumineuses et d’impulsions lumineuses courtes.

La version c) zvise à mesurer directement le courant photoélectrique à l'aide d'un ampèremètre présentant une impédance aussi faible que possible. Ce fonctionnement correspond à la droite verte marquée $R \to 0$ sur le diagramme des caractéristiques. En raison de la capacité plus élevée de la diode en l'absence de tension de blocage, ce circuit n'est pas adapté à la mesure de signaux rapides. Un avantage majeur réside toutefois dans la position du point de fonctionnement à l'origine en l'absence de lumière, car aucun courant de blocage n'apparaît dans ce cas. Cela permet de mesurer avec précision des signaux très faibles. Seul le bruit de la photodiode constitue une source de perturbation.

Circuits intégrant une photodiode et un amplificateur opérationnel

L'amplificateur à photodiode.

Le schéma de droite représente un amplificateur opérationnel (OP) destiné à amplifier les courants photoélectriques d'une photodiode. Ce circuit est appelé amplificateur de photodiode.

Le rôle de l'amplificateur opérationnel est de minimiser la différence de tension entre son entrée inverseuse (-) et son entrée non inverseuse (+). Il règle donc le potentiel à l'entrée inverseuse à zéro. Pour ce faire, il génère une tension de sortie U_a qui entraîne un courant traversant la résistance R, de telle sorte que la somme des courants à l'entrée inverseuse soit nulle (loi des nœuds de Kirchhoff). Le courant traversant R est donc égal à -I_photo. La tension de blocage aux bornes de la photodiode ne varie pas ; c'est là un avantage de ce circuit par rapport à l'utilisation d'une résistance ohmique seule. En raison de l'utilisation de l'entrée inverseuse, la tension de sortie $U_{a}$ a un signe inverse par rapport au circuit plus simple présenté ci-dessus, qui ne comporte pas d'amplificateur opérationnel.

Pour inverser la polarité de $U_{a}$ , la photodiode peut être connectée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel. Dans ce cas, la polarité de la tension externe appliquée à la photodiode doit également être inversée. Cela s'applique de la même manière au circuit plus simple présenté dans la colonne de gauche. La tension de polarisation de la photodiode peut également être nulle, ce qui, en l'absence de courant de blocage de la diode, permet de mesurer de faibles luminosités si l'amplificateur opérationnel est de type à faible bruit.

Bibliographie

On trouvera un aperçu actuel et détaillé de la physique et de l'état de la technique des photodiodes dans

Vasco D. B. Bonifácio & Rita F. Pires: Photodiodes: Principles and recent advances, Journals of Materials NanoScience, 6(2), 38-46, 2019.

Comme pour les photodiodes à vide et les photomultiplicateurs, il existe également des publications d'entreprises très instructives sur les photodiodes à semi-conducteurs. Parmi celles-ci, on peut citer