I- INTRODUCTION

De façon général et l’électronique en particulier sont des domaines incontournable pour l es

communautés en constante évolution industrielle et notamment dans le domaines de la
télécommunication . Ainsi de nos jours le développement de la physique des capteur qui essentiels
pour augmentation des appareils de plus en plus intelligents nous amené à s’intéresser à un
composent particulier qui est LA PHOTODIODE utile pour autodétections de la lumière afin de le
convertir en signal électrique utiliser par les microprocesseurs pour implémenter un algorithme
capable de permettre l’alignement des objets et a pleins d’autres utilité .

II- HISTOIRE

L’histoire des photodiodes passent par l’études du phénomène photoélectriques. ces travaux
sont principalement l’ œuvre de Albert Einstein auquel s’ajoutent les travaux JAMES MAXWELL et de
THOMAS YOUNG. Ces philosophes et physiciens du 18e et 19e siècles ont émis des débats
controverser sur la dualité onde corpuscules de la lumières , jusqu’au travaux de MAXWELL en
+1865 faisant une synthèse de l’électricité et du magnétisme . La lumière est l’addition de deux
ondes , une électrique et une onde magnétique la lumière est donc une onde électromagnétique
prouvant la nature onde corpusculaire de la lumière et tranchant définitivement ainsi le débat .En
outres en 1833 la découverte des matériaux dont la conductivité augmente avec la température par
Michael FARADAY annonce l’apparition des semi-conducteur qui est le principale composant des
photodiodes.

III- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES PHOTODIODES

Les photodiodes sont des appareils à semiconducteur de jonction P-N et PIN qui convertissent l’
énergie lumineuse en énergie électrique.

Le symbole de la photodiode est :

A – RAPPEL SUR LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA LUMIERE

La lumière est une forme d’énergie, tout comme l’électricité ou la chaleur. Elle est composée de
minuscules particules que l’on appelle photons et se déplace sous forme d’onde. La lumière est en
fait générée par les vibrations des électrons dans les atomes. Il s’agit donc d’un mélange d’ondes
électriques et magnétiques : on dit que la lumière est une onde électromagnétique.
  Il existe plusieurs formes de lumière. Celle que nous connaissons est la lumière visible. Il
existe cependant plusieurs autres formes d’ondes lumineuses : les infrarouges, les
ultraviolets, les rayons X, etc.

 Ce qui différencie ces types de lumière est la longueur d’onde ou encore la quantité
d’énergie qu’elles transportent.

Spèctre élèctromagnetique

Comme toutes les ondes, les ondes électromagnétiques possèdent une double périodicité : la
périodicié du phénomène dans l’espaces est mésurer par la longueur d’onde ( en m ), tandis que la
périodicié dans le temps est mésure par la période T (en s ) ou son inverse fréquence v (en Hz)
On a entre ces grandeur la relation fondamentale :

Ou c est la vitesse de la lumière dans le vide :

 ASPECT CORPUSCULAIRE DE LA LUMIERE

A une onde électromatique harmonique de fréquence f donnée correspondent des photons

d’énergie E fixée par une rélation de BROGLIE :

Ou h est une constante fondamentale de la physique , appelée constante se planck . Elle a les meme

unités qu’un moment angulaire (joule.séconde). Elle vaut :

L’énergie s’exprime habituellement en joules. Mais n’est pas une unités appropriés pour exprimer

γλλl’énergie des photons de la lumière visible . on utilise l’électron-volt (eV).La correspondance se

fait au travers de l’équivalence :

par exemple ,pour une onde de longueur d’onde λ=450 nm( lumière de couleur bleue ) on trouve une
fréquence f=6,66.1014 Hz et do nc chaque photon une énergie E=4,414 .10-19 J (2,76 Ev). De la meme
manière une onde de longueur d’onde λ=750nm( lumière de couleur rouge ), on trouve une
fréquence f=3,99.1014 et donc dans chaque photon une énergie E=2,65.10-19 J ( 1,66 eV) un photon
bleue est donc plus énergetique qu’un photon rouge .

conclusion : l’énergie des photons augmentent avec la fréquence l’onde électromagnétique .les
photons de hautes énergie peuvent avoir des éffets néfaste sur l’organisme .

 émission de la lumière : type et caractéristique des sources

 ENERGIE ET LUMIERE

L’émission de la lumière exige toujours un apport d’énergie . Celui-ci peut etre réaliser par un
effet thermique , par luminescence ou encore par excitation optique . Dans son état normal,la
matière n’émet aucun rayonnement , mais lorsqu’elle est excitée par un tel apport d’énergie ,elle
peut émettrre de la lumière .

Une source d’emisssion est donc un dispositif capable de transformer l’énergie , qu’elle
possède en elle-même (énergie interne),ou qu’elle recoit de l’exterieur , en énergie lumineuse , dite
énergie rayonnante :

Une source de lumière recoit de l’énergie W ( électrique ,thermique …),la transforme en énergie
rayonnante qui se propage jusqu’aux récepteur .

 EMISSION SPOTANNEE DE LA LUMIERE

Dans les sources usuelles , le mode dominant est l’émission spontanée . La lumière est un ensemble
de trains d’ondes sunisoidaux ou de photons se propageanr dans l’espace à partir d’une source
lumineuses. Un photon est un miniscule onde électromagnétique . Les quantités qui oscillent dans
l’espace et le temps sont des champs magnétiques et électriques emportés par l’onde élémentaire .
Une onde , au sens classique du terme, qui comporte une infinitée d’oscillations, ne peut etre
localisée. Le nombre d’oscillation des photons émis par les atomes et les noyaux n’est pa s infini en
raison d’une petite incertitude sur leur énergie. Ceci permet une certaine localisation .
Plus la longueur caractéristique de l’oscillation (La longueur d’onde ) est courte, plus l’onde est
concentrée dans l’espace. Quand la longueur d’ onde devient très petite,ce qui est le casdes photons
gamma, le photon commence à ressembler à un objet compact, une particule . C’est au niveau de
l’atome(ou de la molécule ) que se produit les phénomènes lumineux (émission ou absorpsion) .

REPRESENTATION SIMPLIFIEE DE L’INTERACTION DU RAYONNEMENT AVEC LA MATIERE

B- LES SEMICONDUCTEURS

Par son habilité à conduire le courant, un semi-conducteur est un matériau se situant entre le conducteur et
l’isolant. un semi-conducteur à l’état pur(intrinsèque) n’est pas un bon conducteur ni un bon isolant. !es
éléments uniques les plus utilisés pour les semi-conducteurs sont le silicium et le germanium. les éléments
composés tels l’arséniure de gallium sont aussi couramment utilisés pour les semi-conducteurs. !es semi-conducteurs
à élément unique se caractérisent par des atomes à quatre électrons de valence.

Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modéliser à l’aide de la théorie des bandes
d’énergie. selon celle-ci, un matériau semi-conducteur possède une bande d’énergie interdite suffisamment petite pour
que les électrons de la bande de valence puissent facilement rejoindre la bande de conduction .Si un potentiel électrique
est appliquée à ses bornes, un faible courant apparait , provoqué à la fois par le déplacement des électrons et celui des
<<trous >> qu’ils laissent ans la bande de valence .
La conductivité électrique des semi-conducteurs peut être contrôlée par le dopage , en introduisant
une petite quantité impureté dans le matériau afin de produire un excès d’électrons ou un déficit .
Des semi-conducteurs dopés différemment peuvent être mis en contact afin de créer des jonctions
permettant de Controller la direction et quantité de courant qui traverse l’ensemble. Cette propriété
est à la base du fonctionnement des composants de l’électronique moderne : Diodes, Transistors ,
etc.

Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé commercialement , du fait de ses bonne s
propriétés et de son abondance naturelle même s’il existent également des dizaines d’autres semi-
conducteurs utilisés , comme le germanium ,l’arséniure de gallium ou le carbure de silicium

.Principe de structure des Bandes d’énergie :

Le comportement des semi-conducteurs, comme celui des métaux et des isolants est décrit par la théorie
des bandes. Ce modèle stipule qu’un électron dans un solide ne peut prendre que des valeurs d’énergie
comprises dans certains intervalles que l’on nomme : <<bandes>>;, plus spécifiquement bandes
permises, lesquelles sont séparées par d’autres : bandes ; appelées bandes d’énergie interdites

A- Semi-conducteur intrinsèque

un semi-conducteur est dit intrinsèque lorsqu’il est pur : il ne comporte aucune impureté et son
comportement électrique ne dépend que de la structure du matériau. Ce comportement correspond à
un semi-conducteur parfait, c’est-à-dire sans défaut structurel ou impureté chimique. Un semi-conducteur réel n’est
jamais parfaitement intrinsèque mais peut parfois en être proche comme le silicium monocristallin pur
Dans un semi-conducteur intrinsèque, les porteurs de chaine ne sont créés que par des défauts cristallins et
par excitation thermique. Le nombre d’électrons dans la bande de conduction est égal au nombre de trous dans la bande
de valence. Ces semi-conducteurs ne conduisent pas, ou très peu, le courant, excepté si on les porte
à haute température
 B-Semi-conducteur extrinsèque

Un semi-conducteur extrinsèque est un semi-conducteur intrinsèque dopé par des impuretés spécifques
lui conférant des propriétés électriques adaptées aux applications électroniques (diodes,transistors,
etc... et optoélectroniques ) émetteurs et récepteurs de lumière, etc...

Dopge N:
!e dopage de type N consiste à augmenter la densité en électrons dans le semi-conducteur. Pour
ce faire, on inclut un certain nombre d’atomes riches en électrons dans le semi-conducteur.par exemple, dans le cas du
silicium (Si), les atomes de Si ont quatre électrons de valence ,chacun étant lié à un atome O voisin par une
liaison covalente formant un tétraèdre. pour doper le silicium en N, on inclut un atome ayant cinq électrons de
valence, comme ceux de la colonne V (VA) de la table périodique : le phosphore (P) ,l’arsenic (As) ou l’antimoine
(Sb) …

Dopage P :

!e dopage de type P consiste à augmenter la densité en trous dans le semi-conducteur. pour le faire,
on inclut un certain nombre d’atomes pauvres en électrons dans le semi-conducteur afn de créer un excès
de trous. Dans l’exemple du silicium, on inclura un atome trivalent (colonne III du tableau
périodique', généralement un atome de bore. Cet atome n’ayant que trois électrons de valence, il ne
peut créer que trois liaisons covalentes avec ses quatre voisins créant ainsi un trou dans la structure, trou qui
pourra être rempli par un électron donné par un atome de silicium voisin, déplaçant ainsi le trou.
Quand le dopage est suffisant, le nombre de trous dépasse de loin le nombre d’électrons. !es
trous sont alors des porteurs majoritaires et les électrons des porteurs minoritaires.
C- PHOTODIODES OU DIODES PIN

 STRUCTURE
La photodiode PIN est un composant optoélectronique, utilisée dans de nombreuses applications
industrielles. Sa particularité vient de sa jonction composée d'une zone intrinsèque intercalée entre une région
fortement dopée P et une autre fortement dopée N. De même la photodiode PIN a un rendement quantique
(conversion des photons en électrons) bien supérieur à la photodiode PN tout en conservant des temps de
réponse très rapides.
En effet on pourrait dire que une photodiode est une diode PIN qui est un type de diode semi-
conductrice qui joue un role crucial dans divers applications électronique . de la radiofréquence aux
systèmes de communications optiques. Cette diode se distingue par sa structure unique , composée
de trois couches P (positif), I (intrinsèque) ,N(négatif).

 FONCTIONNEMENT
L a centrale intrinsèque , non dopée , sépare les couches P et N dopées . Lorsque une tensiion est
appliquée , la région intrinsèque devient le siège d’une zone de déplétion . Cette caractéristique
confère à la diode PIN des propriétes électriques particulières .Telles qu’une faible capacité parasite
Lorsque les photons pénètrent dans le semi-conducteur munis d’une énergie suffisante, ils peuvent
créer des photoporteurs (électrons et trous d'électrons) en excès dans le matériau. On observe alors
une augmentation du courant. Deux mécanismes interviennent simultanément :

 Il y a création de porteurs minoritaires, c'est-à-dire des électrons dans la région P et des trous
dans la région N. Ceux-ci sont susceptibles d’atteindre la ZCE par diffusion et d’être ensuite
propulsés vers des zones où ils sont majoritaires. En effet, une fois dans la ZCE, la polarisation
étant inverse, on favorise le passage des minoritaires vers leur zone de prédilection. Ces porteurs
contribuent ainsi à créer le courant de diffusion.
 Il y a génération de paires électron trou dans la ZCE, qui se dissocient sous l’action du champ
électrique ; l’électron rejoignant la zone N, le trou la zone P. Ce courant s’appelle le courant de
transit ou photocourant de génération.
Ces deux contributions s’ajoutent pour créer le photocourant Iph qui s’additionne au courant inverse
de la jonction. L’expression du courant traversant la jonction est alors :

Une photodiode peut être représentée par une source de courant Iph (dépendant de
l’éclairement), en parallèle avec la capacité de jonction Cj et une résistance de shunt Rsh d'une
valeur élevée (caractérisant la fuite de courant), l'ensemble étant en série avec une résistance
interne Rs :

 résistance de shunt : la résistance de shunt d'une photodiode idéale est infinie. En réalité
cette résistance est comprise entre 100 kΩ et 1 GΩ selon la qualité de la photodiode. Cette
résistance est utilisée pour calculer le courant de fuite (ou bruit) en mode photovoltaïque,
c'est-à-dire sans polarisation de la photodiode.
 capacité de jonction : cette capacité est due à la zone de charge ; elle est inversement

proportionnelle à la largeur de charge d'espace (W) : .

Où A est la surface de coupe de la photodiode. W est proportionnel à la polarisation inverse

et la capacité diminue si la polarisation augmente. Cette capacité oscille autour de 100 pF

pour les faibles polarisations à quelques dizaines de pF pour les polarisations élevées.

 résistance interne : cette résistance est essentiellement due à la résistance du substrat et

aux résistances de contact. Rs peut varier entre 10 et 500Ω selon la surface de la
photodiode.
Autres caractéristiques :

 temps de réponse : il est habituellement défini comme le temps nécessaire pour atteindre
90 % du courant final dans la photodiode. Ce temps dépend de 3 facteurs :
o ttransit : temps de parcours des porteurs dans la zone de charge d'espace.
o tdiffusion : temps de parcours des porteurs dans les régions neutres.
o la constante de temps tτ : constante de temps du schéma équivalent (de résistance RS +

RC et de capacité Cj + Cγ) : . Ainsi la constante de

temps est égale à : . Mais chaque temps est difficile

à déterminer ; seul le temps global est pris en compte. En général le temps de diffusion

est plus lent que le temps de transit.

 photosensibilité : elle est définie par et détermine les conditions d’utilisation

(200 nA/Lux pour les photodiodes au germanium (Ge), 10 nA/Lux pour les photodiodes au

silicium (Si)). Les photodiodes Ge présentent une photosensibilité plus importante mais

leur courant d'obscurité est notable I0 = 10 uA. Il est donc préférable d’utiliser des

photodiodes Si (I0 = 10 pA) pour la détection des éclairements faibles.

 rendement de capture : c’est le rapport du nombre de charges élémentaires traversant la

jonction sur le nombre de photons incidents. Ce rendement dépend de la longueur d’onde du
rayonnement et des paramètres de construction du composant. Il va définir le domaine
spectral d’utilisation du détecteur.

SCHEMA ELECTRIQUE EQUIVALENT DE LA PHOTODIODE PIN

 rd est la résistance dynamique de la jonction ≈ 1010 ohms

 rs est la résistance associée aux contacts ohmiques, de quelques dizaines d’ohms

 C est la capacité de la jonction

 Iph est le photocourant

 III-PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES
PHOTODIODES

Les photodiodes peuvent fonctionner en mode photovoltaïque ou en mode photoconducteur. En

mode photovoltaïque, la photodiode génère un courant lorsque de la lumière est incidente sans
qu’une tension externe ne soit appliquée. En mode photoconducteur, une tension externe est
appliquée, augmentant ainsi la sensibilité de la photodiode à la lumière.

La sortie de base d'une photodiode est le courant traversant le dispositif de la cathode à l'anode,
approximativement linéairement proportionnel à l'éclairement. (Rappelez-vous, cependant, que
l'amplitude du photocourant est également affectée par la longueur d'onde de la lumière incidente -
plus à ce sujet dans le prochain article.) Le photocourant est converti en une tension pour un
traitement ultérieur du signal via une résistance série ou un courant - le amplificateur de tension.

Les détails de la relation photocourant d'une photodiode varient en fonction des conditions de
polarisation de la diode. C'est l'essence de la différence entre les modes photovoltaïque et
photoconducteur : dans une implémentation photovoltaïque, les circuits autour de la photodiode
maintiennent l'anode et la cathode au même potentiel ; en d'autres termes, la diode est polarisée à
zéro. Dans une implémentation photoconductrice, le circuit autour de la photodiode applique une
polarisation inverse, ce qui signifie que la cathode est à un potentiel plus élevé que l'anode .

COURANT SOMBRE

La principale condition non idéale affectant les systèmes de photodiode est appelée courant
d'obscurité car le courant traverse la photodiode même lorsqu'elle n'est pas éclairée. Le courant
total traversant la diode est la somme du courant d'obscurité et du photocourant. Si ces intensités
produisent un photocourant d'une amplitude similaire au courant d'obscurité, le courant d'obscurité
limitera la capacité du système à mesurer avec précision les faibles intensités lumineuses.

Les effets néfastes du courant d'obscurité peuvent être atténués par la technique consistant à
soustraire le courant d'obscurité attendu du courant de diode. Cependant, le courant d'obscurité
s'accompagne d'un bruit d'obscurité, une forme de bruit de grenaille observé sous forme de
variations aléatoires de l'amplitude du courant d'obscurité. Le système ne peut pas mesurer les
intensités lumineuses dont les photocourants associés sont si faibles qu'ils sont perdus dans le bruit
sombre.

A- FONCTIONNEMENT EN MODE PHOTOCONDUCTEUR

Pour commuter le circuit détecteur ci-dessus en mode photoconducteur, nous connectons l'anode de
la photodiode à une alimentation en tension négative au lieu de la masse. La cathode est toujours à
{{0}} V, mais la tension d'anode est inférieure à 0 V ; par conséquent, la photodiode est polarisée en
inverse.

Quand utiliser le mode photoconducteur

L'application d'une tension de polarisation inverse à la jonction pn provoque l'élargissement de la

région d'appauvrissement. Ceci a deux effets bénéfiques dans le cadre des applications de
photodiode. Premièrement, une région d'appauvrissement plus large rend la photodiode plus
sensible, comme mentionné dans l'article précédent. Par conséquent, le mode photoconducteur est
un bon choix lorsque vous souhaitez générer plus de signal de sortie lié à l'éclairement.

Deuxièmement, une région d'appauvrissement plus large réduit la capacité de jonction de la

photodiode. Dans le circuit illustré ci-dessus, la présence de résistances de rétroaction et de capacité
de jonction (parmi d'autres sources de capacité) limite la bande passante en boucle fermée du
système. Comme avec un filtre passe-bas RC de base, la réduction de la capacité augmente la
fréquence de coupure. Par conséquent, le mode photoconducteur permet des bandes passantes plus
larges et est préférable lorsque vous avez besoin de la capacité du détecteur à répondre à des
changements rapides d'éclairage.

La polarisation inverse étend également la plage de fonctionnement linéaire de la photodiode. Si

vous souhaitez maintenir les mesures à un éclairement élevé, vous pouvez utiliser le mode
photoconducteur, puis choisir la tension de polarisation inverse en fonction des exigences de votre
système. Mais gardez à l'esprit que plus de polarisation inverse augmente également le courant
d'obscurité.

B-FONCTIONNEMENT EN MODE PHOTOVOLTAIQUE

La figure ci-dessous est un exemple de mise en œuvre photovoltaïque

Ce circuit amplificateur opérationnel est appelé amplificateur à transimpédance (TIA). Il est

spécialement utilisé pour convertir le signal de courant en un signal de tension, et le rapport courant-
tension est déterminé par la valeur de la résistance de rétroaction RF. L'entrée non inverseuse de
l'ampli op est mise à la terre, et si nous appliquons l'hypothèse de court-circuit virtuel, nous savons
que l'entrée inverseuse sera toujours à environ 0 V. Par conséquent, la cathode et l'anode de la
photodiode sont maintenus à 0 V.Je ne crois pas que "photovoltaïque" soit un nom tout à fait exact
pour cette implémentation basée sur un ampli op. Je ne pense pas que les photodiodes fonctionnent
comme des cellules solaires qui génèrent une tension via l'effet photovoltaïque. Mais
"photovoltaïque" est le terme accepté, que cela me plaise ou non. Le "mode zéro polarisation" est
préférable, je pense, car nous pouvons utiliser le même TIA et la même photodiode en mode
photovoltaïque ou photoconducteur, donc aucune tension de polarisation inverse n'est un facteur de
différenciation important.

Quand utiliser le mode photovoltaïque

L'avantage du mode photovoltaïque est la réduction du courant d'obscurité. Dans les diodes
normales, l'application d'une tension de polarisation inverse augmente le courant inverse car la
polarisation inverse réduit le courant de diffusion mais pas le courant de dérive, et également à
cause des fuites.

La même chose se produit dans une photodiode, mais le courant inverse est appelé courant
d'obscurité. Des tensions de polarisation inverse plus élevées entraînent plus de courant d'obscurité,
donc en utilisant un amplificateur opérationnel pour maintenir la photodiode polarisée à environ
zéro, nous éliminons pratiquement le courant d'obscurité. Par conséquent, le mode photovoltaïque
convient aux applications nécessitant des performances optimisées en basse lumière.

IV-APPLICATION DES PHOTODIODES

La photodiode a une large gamme d'applications dans des domaines variés. Ci-dessous, nous
présentons quelques-uns des plus courants :

1.Photodiodes dans les systèmes de communication optique :

Les photodiodes sont largement utilisées dans les systèmes de communication optique, tels que la
transmission de signaux par fibre optique. Leur capacité à convertir la lumière en signaux électriques
les rend idéaux pour détecter et recevoir des informations transmises par des faisceaux lumineux.

VCSEL-(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) PHOTODIODE

 2. Photodiodes dans les dispositifs de sécurité :

Les photodiodes sont utilisées dans les dispositifs de sécurité, tels que les capteurs de mouvement.
Ces capteurs utilisent des photodiodes pour détecter les changements d'intensité lumineuse et
activer des alarmes ou des systèmes de sécurité.

3. Photodiodes en mesure de lumière :

Les photodiodes sont également utilisées dans la mesure de la lumière dans différentes applications.
Par exemple, ils sont utilisés dans les photomètres pour mesurer l’intensité de la lumière en
photographie et dans les spectrophotomètres pour analyser la composition de la lumière.

4. Photodiodes dans les systèmes de détection d'objets :

Les photodiodes sont utilisées dans les systèmes de détection d'objets, tels que les systèmes de
détection de présence dans les ascenseurs. Ces appareils utilisent des photodiodes pour détecter la
présence d'un objet ou d'une personne et activer les mécanismes de sécurité correspondants.

5. Photodiodes dans les systèmes de contrôle automatique :

Les photodiodes sont également utilisées dans les systèmes de contrôle automatique, tels que les
systèmes d'éclairage automatiques.

V-CONCLUSION
En conclusion, les photodiodes sont des composants clés dans de nombreux dispositifs et systèmes
électroniques modernes. Leur capacité à convertir la lumière en signal électrique avec précision et
rapidité les rend indispensables dans des domaines variés, de la communication optique à la
détection environnementale et l’imagerie médicale. L’innovation continue dans ce domaine suggère
que l’importance et les applications des photodiodes ne feront que croître dans le futur. Leur
développement et leur intégration restent un domaine d’étude et de recherche passionnant, offrant
des perspectives prometteuses pour les avancées technologiques futures .