Qu'est-ce que la photodiode PIN? | C'est 5+ utilisation et caractéristiques importantes

Photodiode PIN

Sujet de discussion: Photodiode PIN

Qu'est-ce que la photodiode PIN?

Une photodiode est une diode à jonction PN qui fonctionne en polarisation inverse. Comme son nom l'indique, la photodiode PIN est un type particulier de photodiode dans laquelle une couche intrinsèque est placée entre une couche de type p fortement dopée et une couche de type n fortement dopée. Comme la résistivité diminue avec une augmentation de l'impureté et vice-versa, les couches p et n ont une résistivité très faible, tandis que la résistivité dans la couche I est très élevée. PIN-Photodiode a une grande région d'appauvrissement qui est utilisée dans la réception de la lumière.

Photodiode PIN
«Voici la photodiode!» by tobo sous est autorisé CC BY-SA 2.0

Photodiode PIN Symbole

Symbole de photodiode PIN

La représentation symbolique de la photodiode PIN est la même que celle de la diode à jonction pn standard à l'exception des flèches vers le bas au-dessus de la diode, qui indiquent la lumière.

Structure de la photodiode PIN

Structure de la photodiode PIN

La photodiode PIN comprend trois couches: couche p, couche I ou couche intrinsèque et couche n. La couche P est dopée avec une impureté trivalente et la couche N est dopée avec une impureté pentavalente. La couche I est non dopée ou très légèrement dopée. La borne P agit comme une anode et la borne N agit comme une cathode. Contrairement à la diode de jonction PN générale, la largeur de la couche intrinsèque dans la photodiode PIN est plus grande.

Il peut être construit de deux manières:

  • Structure plane: Dans ce type de structure, un film épitaxial mince est fabriqué sur une couche p.
  • Structure Mesa: Dans ce type de structure, des couches semi-conductrices déjà dopées se développent sur la couche intrinsèque.

Schéma du circuit de la photodiode PIN

Schéma de principe de la photodiode PIN

La photodiode PIN fonctionne comme un photodétecteur uniquement lorsqu'elle fonctionne en polarisation inverse. L'anode est connectée à la borne négative de la batterie. Le côté positif de la batterie est connecté à la cathode via une résistance.

Fonctionnement de la photodiode à broches | Principe de fonctionnement de la photodiode PIN

  • Lorsqu'une polarisation inverse est appliquée au dispositif, la région d'appauvrissement commence à s'étendre dans la couche intrinsèque. La largeur continue d'augmenter jusqu'à atteindre l'épaisseur de la couche I.
  • En conséquence, la région d'appauvrissement devient libre de tout support de charge mobile. Donc aucun courant ne circule. À ce stade, aucune recombinaison électron-trou n'a lieu dans la région d'appauvrissement.
  • Lorsque la lumière d'une énergie suffisante ( h𝜈 ≥ énergie de bande interdite du semi-conducteur) entre dans la région I, chaque photon absorbé génère une paire électron-trou. Ces paires subissent une forte force due au champ électrique barrière présent dans la région d'appauvrissement. Cette force sépare les paires et les porteurs de charge se déplacent dans des directions opposées et un courant est généré. Ainsi, l'énergie optique est convertie en énergie électrique.
  • Comme le courant est généré à partir de l'énergie lumineuse, il est appelé photocourant et écrit comme Ip.

Caractéristiques de la photodiode PIN

  • Résistivité: Il offre une faible résistivité dans les couches P et N (moins de 1 kΩ / cm) et haute résistivité dans la couche I (jusqu'à 100 kΩ / cm)
  • Capacité: Comme la capacité est inversement proportionnelle à l'écart entre les couches P et N, la capacité dans cette photodiode est inférieure à la diode standard.    

C = \ varepsilon _ {0} \ varepsilon _ {r} \ frac {A} {d}

Où 𝜀0= valeur diélectrique de l'espace libre

             𝜀r= constante diélectrique du semi-conducteur

             A = aire de la couche intrinsèque

             d = largeur de la région d'épuisement

  • Tension de claquage: La couche intrinsèque élargit la région d'appauvrissement, en raison de laquelle la tension de claquage est très élevée.
  • Le flux de courant: Le flux de courant est directement proportionnel à la quantité de lumière incidente sur le détecteur.
  • Condition de polarisation directe: S'il fonctionne en mode polarisation directe, la largeur de la couche d'appauvrissement diminue et le courant circule. Dans ce cas, la diode se comporte comme une résistance variable.
  • Efficacité quantique (𝜂): Il est fait référence au nombre de paires électron-trou générées par photon ayant de l'énergie h𝜈
  • Réactivité: Il mesure le gain de sortie par entrée (photon).

Modes de fonctionnement en photodiode PIN

Il a principalement deux modes de fonctionnement-

  • Mode photovoltaïque impartial 
  • Mode photoconducteur polarisé inversé 

Courbes PIN Photodiode IV

Schéma des broches de la photodiode

Configuration des broches

Configuration des broches de la photodiode

               Nom de la broche              Identification
                  Cathode             Plus court en longueur
                   Anode              Plus long

Photodiode 3 broches

Photodiode à 3 broches
Photodiode Si PIN
crédit d'image: HAMAMATSU Instruments

Les photodiodes à trois broches sont des photodiodes PIN en silicium à haute vitesse spécialement conçues pour détecter la lumière infrarouge à proximité. À faible polarisation, ces dispositifs offrent la possibilité de caractéristiques à large bande, ce qui les rend utilisables pour la communication optique et autre photométrie.

Bruit dans la photodiode PIN

Le bruit fait référence à tout événement indésirable ou à une erreur dans le signal d'information reçu. C'est l'amalgame d'énergies dérangeantes provenant de différentes sources.

Voici les bruits attribués au bruit total d'une photodiode:

  • Bruit quantique ou de tir
  • Bruit de courant sombre
  • Bruit thermique

Alors que les deux premiers types de bruits sont générés à partir de la nature statistique de la procédure de conversion photon en électron, le bruit thermique est associé au circuit de l'amplificateur.

Bruit quantique ou de tir: 

Cela se produit en raison du proton au processus de conversion électronique. Le processus de Poisson est suivi ici. Valeur quadratique moyenne du bruit de tir iq sur photocourant ip est,

\ left \ langle i_ {q} \ right \ rangle ^ {2} = 2qBi_ {p}

Où, q = charge d'un électron

             B = bande passante

Bruit de courant sombre:

Le courant d'obscurité est le courant qui traverse le circuit lorsqu'aucune lumière n'est incidente sur le photodétecteur. Il comporte deux composants principaux: bruit de courant d'obscurité en vrac et  bruit de courant de fuite de surface. Le courant d'obscurité en vrac est le résultat de trous et d'électrons générés thermiquement dans la jonction PN.

Valeur quadratique moyenne du bruit de courant d'obscurité global idb sur le courant d'obscurité jed est,

\ left \ langle i_ {db} \ right \ rangle ^ {2} = 2qBi_ {d}

Valeur quadratique moyenne du bruit de courant de fuite de surface ids sur le courant de fuite de surface iL est,

\ left \ langle i_ {ds} \ right \ rangle ^ {2} = 2qBi_ {L}

Bruit thermique:

Il est également appelé bruit Johnson. Le bruit thermique de la résistance de charge est beaucoup plus élevé que le bruit thermique de l'amplificateur car la résistance de charge a une valeur inférieure à la résistance de l'amplificateur.

Par conséquent, la valeur quadratique moyenne du bruit thermique ir en raison de la résistance de charge RL

\ left \ langle i_ {r} \ right \ rangle ^ {2} = \ frac {4K_ {B} TB} {R_ {L}}

 Où KB= Constante de Boltzmann

             T = température absolue

             B = bande passante

Photodiode PIN InGaAs

InGaAs (arséniure d'indium et de gallium) est un alliage d'arséniure d'indium et d'arséniure de gallium. L'arséniure de gallium peut convertir efficacement l'électricité en lumière cohérente.

Les photodiodes PIN ou photodétecteurs InGaAs sont des dispositifs optoélectroniques capables de fournir une efficacité quantique très élevée pouvant aller de 800 à 1700 nm. Ils présentent une faible capacité dans une bande passante étendue, une linéarité élevée, une sensibilité élevée due à une résistance accrue, un faible courant d'obscurité et une uniformité à travers la zone active du détecteur. Toutes ces caractéristiques contribuent à augmenter la flexibilité et offrent une large gamme d'applications.

Photodiode PIN GaAs

Le GaAs (arséniure de gallium) est un semi-conducteur qui a une mobilité électronique élevée et une vitesse électronique élevée par rapport au silicium. Il peut fonctionner à des fréquences très élevées.

Les photodiodes PIN GaAs sont utilisées pour détecter des signaux optiques à 850 nm. Il a une grande zone d'activation qui assure une réponse stable et sensible. Cela peut également être utilisé dans les télécommunications optiques en tant que récepteurs optiques, dans des machines de test, etc. Les photodiodes GaAs fournissent une réponse rapide, un faible courant d'obscurité et une fiabilité élevée.

Détecteur de photodiode PIN

Le photodétecteur est utilisé pour convertir un signal lumineux en signal électrique, leur amplification et un traitement ultérieur. Dans les systèmes à fibres optiques, le photodétecteur est un élément essentiel. Les photodiodes à semi-conducteurs sont parmi les détecteurs les plus largement utilisés car ils offrent d'excellentes performances, sont de petite taille et de faible coût.

Exemple: photodiode d'arséniure de gallium, photodiode d'arséniure d'indium gallium, etc.

Photodiode PIN en communication optique

 Les photodétecteurs sont très utilisés dans le secteur automobile, à des fins médicales, dans les équipements de sécurité, les caméras, l'industrie, l'astronomie et, surtout, dans les communications. Il existe deux mécanismes photoélectriques distincts disponibles pour la photodétection:

  1. Effet externe: Tubes PMT ou photomultiplicateurs
  2. Effet interne: Photodiodes à jonction PN, photodiodes PIN, photodiodes à avalanche         

Principe de photodétection:       

  • Une photogénération par paire électron-trou se produit
  • La jonction PIN est polarisée en inverse
  • La région d'épuisement voit la dérive des porteurs
  • La paire électron-trou se déplace dans la direction opposée et provoque un photocourant

Détecteur de rayonnement à photodiode PIN | Détecteur gamma à photodiode PIN

Les photodiodes PIN sont capables de détecter des photons individuels dans le rayonnement gamma. Une photodiode PIN, un comparateur et quatre amplificateurs opérationnels à faible bruit sont utilisés ensemble dans ce processus.  

 En condition de polarisation inverse, lorsque les photons frappent la région d'appauvrissement, ils produisent une petite charge directement proportionnelle à l'énergie des photons. Le signal résultant est amplifié et filtré par les amplificateurs opérationnels. Le comparateur distingue le signal et le bruit. La sortie finale du comparateur montre une impulsion élevée chaque fois qu'un photon gamma avec une énergie minimale requise frappe la photodiode PIN.

Récepteur de photodiode PIN

Les récepteurs optiques sont responsables de la conversion d'énergie optique en énergie électrique. L'élément le plus crucial du récepteur optique est la photodiode.

Le récepteur doit d'abord détecter les signaux déformés et faibles, puis, en fonction de la version amplifiée de ce signal, décider quel type de données a été envoyé. Des erreurs provenant de diverses sources peuvent être trouvées associées au signal. Les signaux doivent donc être contrôlés et traités avec la plus grande précision car la prise en compte du bruit est un facteur important dans la conception du récepteur.

Photodiode PIN en silicium

Les photodiodes PIN en silicium ou en Si peuvent s'adapter à différentes applications. En raison de la structure PIN, il produit une réponse rapide et une fréquence quantique élevée pour détecter les photons. Ils sont capables de détecter la lumière dans la plage de 250 nm à 1.1 μm. Il détecte les rayonnements à haute énergie dans les hautes fréquences. La largeur de la région d'appauvrissement varie de 0.5 à 0.7 mm.

Détecteur à photodiode Si PIN

Dans les photodiodes PIN, la région d'appauvrissement coïncide presque avec la couche intrinsèque. La génération de porteurs de charge se produit en raison du rayonnement incident.

 Outre le rayonnement lumineux, le rayonnement gamma, le rayonnement X, les particules peuvent également générer des porteurs de charge.

Lorsque les photons rencontrent le contact métallique de la diode, cela produit des paires électron-trou en grand nombre. Les électrodes les collectent et le signal est généré. Les paires électron-trou plus mobiles aident à recevoir des signaux facilement détectables. Ceux-ci sont ensuite traités par un amplificateur à faible bruit et l'analyseur détecte la quantité de rayonnement provenant des impulsions.

Réseau de photodiodes PIN

Les réseaux de photodiodes sont généralement utilisés dans les appareils à rayons X en balayant l'objet dans l'image ligne par ligne. Les rayons X sont transformés en lumière à travers le cristal scintillateur. Ensuite, la photodiode mesure l'intensité lumineuse.

Photodiode PIN haute vitesse

Les photodiodes PIN à haute vitesse sont préférées pour leur déclenchement précis par rapport à la force du signal, à une sensibilité améliorée, à une faible tension de fonctionnement et à une bande passante élevée.

Amplificateur de photodiode PIN

Les amplificateurs opérationnels sont utilisés avec une résistance de rétroaction pour convertir le photocourant en tension mesurable. Il est également appelé amplificateur trans-impédance.

Application de la photodiode à broches

Les photodiodes PIN sont l'une des photodiodes les plus populaires qui ont des caractéristiques variées, ce qui les rend adaptées à différentes applications. Outre la photo-détection, il est utilisé dans les lecteurs de DVD, les lecteurs de CD, les commutateurs, les traitements médicaux et bien d'autres.

  • ‌ Redresseur haute tension: La couche intrinsèque fournit une plus grande séparation entre les régions P et N, ce qui permet de tolérer des tensions inverses plus élevées.
  • Commutateurs micro-ondes contrôlés par RF et DC: La couche intrinsèque augmente la distance entre les couches P et N. Il diminue également la capacité, augmentant ainsi l'isolement en condition de polarisation inverse.
  • Photodétecteur et cellules photovoltaïques: Une conversation légère à actuelle se produit dans la région d'épuisement. Comme la largeur de la couche intrinsèque est plus grande, elle améliore les performances de capture de la lumière.
  • Atténuateurs RF et variables
  • Circuit modulateur ‌RF
  • ‌Machine IRM

Avantages et inconvénients de la photodiode PIN

Avantages de la photodiode PIN

  • ‌Il a une sensibilité à la lumière élevée.
  • ‌La vitesse de réponse est élevée.
  • ‌Sa bande passante est large.
  • ‌ Le coût de mise en œuvre est faible.
  • ‌Il génère un faible bruit.
  • ‌La sensibilité à la température est faible.
  • ‌Il est de petite taille.
  • ‌Longévité meilleure que les diodes standard.

Inconvénients de la photodiode PIN

  • ‌Il ne peut être utilisé que dans la condition de polarisation inverse.
  • ‌La tension appliquée doit être faible.
  • ‌Il est sensible à tout type de lumière.
  • ‌Les spécifications de température doivent être respectées.

FAQs

À quoi sert la capacité polaire dans le photodétecteur PIN?

La capacité polaire signifie que les plaques de condensateur sont des électrodes ayant une polarité positive et négative. Dans un photodétecteur PIN, les couches P et N agissent comme des électrodes, et comme la largeur de la couche d'appauvrissement est vaste; la valeur de capacité est faible. En raison de la faible capacité, la vitesse s'améliore.

Quel est l'avantage de la photodiode PIN?

Il a une sensibilité élevée, un faible bruit, une large bande passante et un faible coût de mise en œuvre. l'explication détaillée se trouve dans la section supérieure.

Qu'est-ce que je représente dans la photodiode PIN?

I dans la photodiode PIN signifie couche intrinsèque.

Quelle est la différence entre une photodiode régulière et une photodiode PIN?

La couche intrinsèque accrue rend les photodiodes PIN capables de transporter plus de courant et améliore également la réponse en fréquence. L'explication détaillée est dans la section supérieure.

Quels sont les inconvénients de la photodiode PIN?

Il est très sensible à la lumière et ne peut bien fonctionner qu'en polarisation inverse.

Qu'est-ce que la photodiode et son symbole?

Une photodiode est un semi-conducteur qui convertit l'énergie lumineuse en énergie électrique.

Symbole

Qu'est-ce qu'un réseau de photodiodes?

C'est un capteur utilisé en photodétection, spectrophotométrie, etc.

Quelle est la photodiode la plus couramment utilisée?

La photodiode PIN est la plus couramment utilisée photodiode.

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À propos de Kaushikee Banerjee

Je suis un passionné d'électronique et je me consacre actuellement au domaine de l'électronique et des communications. Mon intérêt réside dans l'exploration des technologies de pointe. Je suis un apprenant enthousiaste et je bricole avec l'électronique open source.
Identifiant LinkedIn - https://www.linkedin.com/in/kaushikee-banerjee-538321175

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