Une photodiode est une diode semi-conductrice dont le courant dépend de l'éclairage. En règle générale, ce courant fait référence au courant inverse de la photodiode, car sa dépendance à l'éclairage est plusieurs fois plus forte que le courant direct. À l’avenir, nous parlerons spécifiquement du courant inverse.

De manière générale, une photodiode est une jonction pn ouverte au rayonnement lumineux. Sous l'influence de la lumière dans la zone jonction p-n des porteurs de charge (électrons et trous) sont générés, qui le traversent et provoquent une tension aux bornes de la photodiode ou un flux de courant dans un circuit fermé.

Une photodiode, selon son matériau, est conçue pour enregistrer le flux lumineux dans les gammes de longueurs d'onde infrarouge, optique et ultraviolette. Les photodiodes sont fabriquées à partir de silicium, de germanium, d'arséniure de gallium, d'arséniure d'indium et de gallium et d'autres matériaux.

Les photodiodes sont largement utilisées dans les systèmes de contrôle, la métrologie, la robotique et d'autres domaines. Ils sont également utilisés dans d'autres composants, par exemple des optocoupleurs, des opto-relais. En ce qui concerne les microcontrôleurs, les photodiodes sont utilisées comme divers capteurs - capteurs de limite, capteurs de lumière, capteurs de distance, capteurs d'impulsions, etc.

Désignation sur les schémas

Sur schémas électriques Une photodiode est désignée comme une diode, avec deux flèches pointant vers elle. Les flèches symbolisent le rayonnement incident sur la photodiode. Ne confondez pas cela avec la désignation de la LED, dont les flèches pointent vers l'opposé.

La lettre de désignation de la photodiode peut être VD ou BL (photocellule).

Modes de fonctionnement des photodiodes

La photodiode fonctionne selon deux modes : photodiode et photovoltaïque (photovoltaïque, générateur).

Le mode photodiode utilise une alimentation qui polarise la photodiode sens inverse. Dans ce cas, un courant inverse traverse la photodiode, proportionnel au flux lumineux qui y arrive. Dans la plage de tension de fonctionnement (c'est-à-dire avant le claquage), ce courant est pratiquement indépendant de la tension inverse appliquée.

En mode photovoltaïque, la photodiode fonctionne sans source d'alimentation externe. Dans ce mode, il peut fonctionner comme capteur ou comme batterie ( batterie solaire), puisque sous l'influence de la lumière, une tension apparaît aux bornes de la photodiode, en fonction du flux de rayonnement et de la charge.

Caractéristique courant-tension

Pour mieux comprendre les modes de fonctionnement d'une photodiode, vous devez considérer sa caractéristique courant-tension.

Le graphique se compose de 4 zones, appelées quadrants. Le mode photodiode correspond au fonctionnement dans le 3ème quadrant.

En l'absence de rayonnement, le graphique représente la branche inverse de la caractéristique courant-tension d'une diode semi-conductrice conventionnelle. Il existe un petit courant inverse, appelé courant thermique (obscurité) de la jonction pn polarisée en inverse.

En présence de flux lumineux, la résistance de la photodiode diminue et le courant inverse de la photodiode augmente. Plus la lumière tombe, plus le courant inverse circule à travers la photodiode. La dépendance du courant inverse de la photodiode sur le flux lumineux dans ce mode est linéaire.

Le graphique montre que le courant inverse de la photodiode dépend faiblement de la tension inverse. Regardez la pente du graphique de la tension nulle à la tension de claquage, elle est petite.

Le mode photovoltaïque correspond au fonctionnement de la photodiode dans le 4ème quadrant. Et ici deux cas limites peuvent être distingués :

Au ralenti (xx),
- court-circuit (court-circuit).

Le mode quasi-inactif est utilisé pour obtenir de l’énergie de la photodiode. C'est-à-dire pour utiliser une photodiode comme batterie solaire. Bien entendu, une photodiode sera de peu d’utilité et son efficacité est faible. Mais si vous connectez de nombreux éléments, une telle batterie peut alimenter un appareil à faible consommation.

En mode court-circuit, la tension aux bornes de la photodiode est proche de zéro et le courant inverse est directement proportionnel au flux lumineux. Ce mode est utilisé pour construire des capteurs photo.

Quels sont les avantages et les inconvénients des modes de fonctionnement photodiode et photovoltaïque ? Le mode photodiode offre des performances de photodiode plus rapides, mais dans ce mode, il y a toujours du courant d'obscurité. En mode photovoltaïque, il n'y a pas de courant d'obscurité, mais les performances du capteur seront plus lentes.

2. Signaux IP unifiés

3. Attribution de l'IP inversée

1. Propriétés des photodiodes, circuits de commutation, application.

Photodiode (PD) - un récepteur de rayonnement optique qui convertit le flux incident sur sa région photosensible en une charge électrique due aux processus dans la jonction p-n.

Sur la fig. La figure 9 montre un schéma fonctionnel d'une photodiode avec des éléments cibles externes.

1 cristal semi-conducteur ;

2 broches ;

3-conclusions ;

Flux F de rayonnement électromagnétique ;

Tension de la source électronique CC;

Résistance à la charge Rn.

Riz. 9. Schéma fonctionnel photodiode

Principe de fonctionnement

À éclairage p-n transition par rayonnement monochromatique avec une énergie photonique > (est la bande interdite), une absorption intrinsèque des quanta de rayonnement a lieu et des photoélectrons et des phototrous hors équilibre sont générés. Sous influence champ électrique transition, ces photoporteurs se déplacent : les électrons - vers la région n, et les trous - vers la région p, c'est-à-dire un courant de dérive de porteurs hors équilibre traverse la jonction. Le courant de la photodiode est déterminé par le courant porteur minoritaire.

L’équation qui détermine les caractéristiques lumière et courant-tension des cellules photovoltaïques peut être présentée comme suit :

, (5)

, (6)

où est le courant de fuite sombre à travers p-ntransition;

- le courant de saturation, c'est-à-dire valeur absolue la valeur vers laquelle tend le courant d'obscurité ;

UN– un coefficient qui dépend du matériau de la photocellule et qui a une valeur de 1 à 4 (pour les photodiodes au germanium il est égal à 1) ;

- températureK;

, k(charge élémentaire);

(constante de Boltzmann) ;

La famille des caractéristiques courant-tension d'une photodiode éclairée est illustrée à la figure 10.

Riz. 10. Caractéristiques courant-tension de la photodiode

La famille des caractéristiques courant-tension de la photodiode se situe dans les quadrants I, III, IV. Le quadrant I est la zone de non-travail de la photodiode ; dans ce mode, le photocontrôle du courant traversant la diode est impossible.

Le quadrant IV de la caractéristique courant-tension de la photodiode correspond au mode de fonctionnement photovoltaïque de la photodiode. Si la cible est ouverte, alors la concentration d'électrons dans la région n et de trous dans la région p augmente, le champ de charge d'espace des atomes d'impuretés dans la transition est partiellement compensé et la barrière de potentiel diminue. Cette réduction se produit par une quantité de photoEMF appelée tension en circuit ouvert de la photodiode Uxx. La valeur de Uxx pour PD est de 0,5-0,55V pour GaAs - arséniure de gallium Uxx=0,8÷0,9V et ne peut pas dépasser la différence de potentiel de contact de la transition, car elle est complètement compensée champ électrique et la séparation des photoporteurs dans la transition s'arrête.

Si les régions p et n sont connectées par un conducteur externe (mode court-circuit), alors Uxx = 0 et un courant de court-circuit formé par des photoporteurs hors équilibre circulera dans le conducteur.

Les valeurs intermédiaires sont déterminées par les lignes de charge qui, à différentes valeurs, quittent l'origine sous différents angles. Pour une valeur de courant donnée, en fonction de la caractéristique courant-tension PD, il est possible de sélectionner le mode de fonctionnement optimal de la photodiode, dans lequel la plus grande puissance électrique sera transférée à la charge.

Les principales caractéristiques lumineuses d'une photodiode en mode photovoltaïque sont la dépendance du courant de court-circuit sur le flux lumineux et la tension en circuit ouvert du flux lumineux Uхх = , leurs dépendances typiques sont illustrées à la figure 11.

Comme le montre la figure 11, la dépendance linéaire dans une large plage de Ф et seulement pour des flux lumineux significatifs (Ф>2000...3000lm), la non-linéarité commence à apparaître.

La dépendance Uxx = est également linéaire, mais avec des flux lumineux ne dépassant pas 200÷300 lm, elle présente une non-linéarité significative à Ф supérieure à 4000 lm. Non-linéarité à mesure que F augmente, cela s'explique par une augmentation de la chute de tension aux bornes de la résistance volumique de la base de la photodiode, et la non-linéarité Uхх = s'explique par une diminution de la barrière de potentiel avec l'augmentation de F.

Les caractéristiques du PD dépendent fortement de la température. Pour les PD au silicium, Uxx diminue de 2,5 mV avec une augmentation de la température de 1˚С, tandis que Icr augmente en unités relatives de 3∙10 -3 1/˚С.

Riz. 11. Caractéristiques lumineuses de la photodiode

Le quadrant III est la région des photodiodes du fonctionnement PD, dans laquelle une tension inverse est appliquée à la jonction p-n (Fig. 9).

La caractéristique courant-tension de la résistance de charge est une ligne droite dont l’équation est :

,

où est la tension inverse sur le PD,

– photocourant.

La photodiode et la résistance de charge sont connectées en série, c'est-à-dire le même courant les traverse . Ce courant peut être déterminé par le point d'intersection de la caractéristique IV de la photodiode et de la résistance de charge.

Ainsi, en mode photodiode, pour un flux de rayonnement F donné, la photodiode est source de courant par rapport au circuit extérieur. De plus, la valeur du courant ne dépend pratiquement pas des paramètres du circuit externe (,).

Principe de fonctionnement

La figure 2 montre un schéma reflétant le principe de fonctionnement des détecteurs dotés d'une photodiode polarisée en inverse. L'ampleur du photocourant généré dépend du flux lumineux et de la longueur d'onde du rayonnement. Lors de la connexion d'une résistance de charge, cette valeur peut être observée à l'aide d'un oscilloscope. La fonction d'un filtre RC est de supprimer le bruit haute fréquence de l'alimentation.

Figure 3 Circuit détecteur avec amplificateur

Lors de l'utilisation d'un circuit photodétecteur avec amplificateur, l'utilisateur peut sélectionner le mode de fonctionnement de la photodiode (photovoltaïque ou photodiode). Chaque mode a ses propres avantages :

Mode photovoltaïque : En mode photovoltaïque, aucune tension n'est appliquée à la diode et l'entrée A de l'ampli opérationnel est potentielle. égal au potentiel au point B. Lors du fonctionnement dans ce mode, le courant d'obscurité est négligeable.

Mode photodiode : En mode photodiode, une tension de polarisation inverse est appliquée à la jonction pn, ce qui réduit la capacité de la jonction et augmente la bande passante. Le gain dépend de la résistance de rétroaction (R f). La bande passante du détecteur est déterminée par la formule :

Où GBP est le produit du gain et de la bande passante de l'ampli opérationnel, CD est la somme de la capacité de la jonction et de l'amplificateur.

Fréquence de modulation

La densité spectrale de bruit de la plupart des détecteurs, notamment PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) et InAsSb, a une relation 1/f (le bruit diminue à mesure que la fréquence augmente), ce qui a un effet significatif sur la constante de temps dans la région des basses fréquences.

Ainsi, la fréquence de modulation (taux de changement d'intensité) du rayonnement affecte la sensibilité de l'appareil. Les valeurs optimales des caractéristiques du photodétecteur sont atteintes à la fréquence :

Autonomie de la batterie

Lorsque vous utilisez un photodétecteur alimenté par batterie, il est important de comprendre la durée de vie de la batterie et comment elle affecte les performances du détecteur. Le courant de sortie du détecteur est directement proportionnel au flux de rayonnement incident. La plupart des utilisateurs convertissent ce courant en tension à l'aide d'une charge adaptée. La quantité de résistance est approximativement égale au gain du circuit. Pour les détecteurs à grande vitesse tels que , il est nécessaire d'utiliser une charge de 50 ohms pour correspondre à l'impédance des câbles coaxiaux standard. Cela réduira les réflexions arrière et améliorera la qualité du signal de sortie.

La durée de vie de la batterie est directement liée au courant présent dans le détecteur. La plupart des fabricants de batteries expriment la durée de vie de la batterie en mAh (milliampère-heure). Par exemple, si la batterie est évaluée à 190 mAh, elle fonctionnera pendant 190 heures tout en consommant un courant de 1,0 mA.

Laissez la source dont le rayonnement tombe sur le détecteur fonctionner à une longueur d'onde de 780 nm avec une puissance moyenne de 1 mW. La sensibilité du détecteur à une longueur d'onde donnée est de 0,5 A/W. Le photocourant peut être calculé à l'aide de la formule :

Ainsi, la durée de vie de la batterie est de :

ou 16 jours de travail continu. En réduisant la puissance moyenne du rayonnement incident à 10 μW, la durée de vie de la même batterie passera à 4 ans de fonctionnement continu. Lors de l'utilisation de la terminaison recommandée de 50 ohms, le photocourant (0,5 mA) est converti en tension : si la puissance incidente est réduite à 40 μW, la tension de sortie devient 1 mW. Pour certains appareils de mesure, cette valeur peut être trop faible, il faut donc faire un compromis entre la durée de vie de la batterie et la précision de la mesure.

Lors de l'utilisation de détecteurs alimentés par batterie, il est nécessaire d'utiliser un rayonnement de faible intensité, en tenant compte du niveau de tension minimum requis. Il est également important de se rappeler que la batterie ne cessera pas immédiatement de produire du courant une fois qu’elle approche de la fin de sa durée de vie. Tout d'abord, la tension de la batterie va chuter et potentiel électrique, appliqué à la photodiode diminuera. Cela entraînera à son tour une augmentation du temps de réponse du détecteur et une diminution de la bande passante.

Il est donc important de s’assurer que la batterie fournit une tension suffisante pour optimiser les performances du détecteur.

Pour les applications dans lesquelles les détecteurs sont irradiés en permanence par une source de puissance suffisamment élevée, ou où le remplacement constant des piles est inacceptable, la société Thorlabs Offre un adaptateur et une alimentation. L'inconvénient de cette option est le bruit qui sera ajouté au signal de sortie et pourra augmenter l'erreur de mesure.

Les détecteurs de sulfure de plomb (PbS) et de séléniure de plomb (PbSe) sont largement utilisés pour détecter les rayonnements compris entre 1 000 et 4 800 nm. Alors qu'une photodiode génère du courant lorsqu'elle est exposée à la lumière, une photorésistance change sa valeur de résistance lorsqu'elle est irradiée. Bien que les détecteurs PbS et PbSe puissent être utilisés avec température ambiante, les fluctuations de température affecteront la résistance à l'obscurité, la sensibilité et les performances de l'appareil.

Principe de fonctionnement

Lorsque la lumière est absorbée, des porteurs de charge en excès apparaissent dans un matériau photoconducteur, entraînant une augmentation de la conductivité et une diminution de la résistance. Changer la résistance modifiera la tension mesurée. Sur la fig. Un schéma est présenté qui reflète le principe de fonctionnement des détecteurs basés sur des matériaux photoconducteurs. Il convient de noter que le circuit présenté n'est pas recommandé pour une utilisation pratique en raison de la présence de bruit basse fréquence.

Le mécanisme de détection est basé sur la conductivité d'un film mince d'un élément photosensible. Le signal à la sortie du détecteur en l'absence de rayonnement incident est déterminé par l'équation :

Le changement de tension à la sortie ΔV OUT se produit en raison du changement de résistance ΔR Dark lorsque la lumière frappe la zone active du capteur :

Réponse en fréquence

Pour les détecteurs, la dépendance de la sensibilité à la fréquence de modulation de la lumière a la forme :

Où f c est la fréquence de modulation, R 0 est la sensibilité à une fréquence de 0 Hz, τ r est le temps de montée.

Impact de la température

L'élément photosensible des détecteurs PbS et PbSe est un film mince posé sur un substrat de verre. La forme et la région active de l'élément photoconducteur changent en fonction des conditions de fonctionnement, modifiant ainsi d'autres caractéristiques. En particulier, la sensibilité du détecteur variera en fonction de la température de fonctionnement.

Le refroidissement du détecteur déplacera la plage de sensibilité spectrale vers des longueurs d'onde plus longues. Pour des résultats optimaux, il est recommandé d'utiliser les détecteurs présentés dans des conditions environnementales contrôlées.

Schéma de circuit d'un détecteur à base de matériau photoconducteur avec un amplificateur

En raison des caractéristiques de bruit, il est préférable d'inclure une photorésistance dans le circuit CA. Lorsqu'une photorésistance est connectée à un circuit CC, le bruit provoqué par la tension appliquée augmentera avec l'augmentation de la tension, limitant ainsi la sensibilité du détecteur. Pour maintenir la stabilité des caractéristiques et obtenir des valeurs de gain de signal élevées, il est nécessaire d'utiliser un préamplificateur.

Selon le schéma (Fig. ci-dessus), l'amplificateur opérationnel (ampli-op) cherche à égaliser les potentiels aux points A et B à l'aide d'une boucle de rétroaction. La différence de tension à l'entrée de l'ampli-op est amplifiée et transmise à la sortie. Il convient de noter que le filtre passe-haut à l'entrée de l'amplificateur ne laisse pas passer le signal DC. De plus, la résistance de charge doit être égale à la résistance à l'obscurité du détecteur pour garantir l'obtention d'un signal maximal. La tension d'alimentation (+V) doit être telle que le rapport signal sur bruit soit optimal et proche de l'unité. Certaines tâches nécessitent plus haut niveau tension, ce qui augmentera le niveau de bruit. La tension de sortie est déterminée par la formule :

Rapport signal sur bruit

Étant donné que le niveau de bruit du détecteur est inversement proportionnel à la fréquence de modulation du signal, le bruit augmentera aux basses fréquences. Le signal à la sortie du détecteur augmente linéairement avec l'augmentation de la tension de polarisation, mais les caractéristiques du bruit dépendent peu de la tension de polarisation à un faible niveau. Une fois qu'un certain niveau de tension de polarisation est atteint, le bruit du détecteur commencera à augmenter linéairement avec l'augmentation de la tension. À haute tension, le bruit commencera à augmenter de façon exponentielle, réduisant ainsi le rapport signal/bruit. Pour garantir des niveaux signal/bruit optimaux, il est nécessaire d’ajuster la fréquence de modulation du signal et la tension de décalage.

Résistance obscure

La résistance à l'obscurité est la résistance du détecteur en l'absence de lumière. Il convient de noter que la résistance à l’obscurité augmentera ou diminuera avec les changements de température. Le refroidissement du détecteur réduira la valeur de la résistance à l'obscurité.

Capacité de détection (D) et capacité de détection spécifique (D*)

La détectivité (D) est une autre quantité utilisée pour évaluer l'efficacité d'un photodétecteur. La capacité de détection caractérise la sensibilité et est inversement proportionnelle à la puissance équivalente au bruit (NEP) :

Plus la valeur de détectivité est élevée, plus la sensibilité est élevée, c'est-à-dire que le détecteur est capable d'enregistrer des signaux faibles. La capacité de détection dépend de la longueur d'onde des photons incidents.

Le NEP d'un détecteur, et donc sa capacité de détection, dépend de la région active, comparer les propriétés de deux détecteurs n'est donc pas une tâche facile. Pour s'affranchir de cette dépendance, on utilise la capacité de détection spécifique (D*), qui ne dépend pas de la zone du détecteur et permet d'évaluer l'efficacité du photodétecteur. Dans l'équation ci-dessous, A est l'aire de la région photosensible.

Capteurs bidimensionnels sensibles à la position

Revoir

Les capteurs bidimensionnels sensibles à la position peuvent mesurer la position, la distance parcourue ou les angles d'incidence du faisceau, et ils peuvent également être utilisés comme retour dans les systèmes d'alignement, par exemple pour contrôler la position des miroirs, la mise au point du microscope, etc. Le détecteur détermine la position du point lumineux en fonction de la répartition proportionnelle du photocourant généré au point d'incidence du faisceau lumineux. Il existe deux types de capteurs bidimensionnels sensibles à la position : à électrodes bidirectionnelles et à électrodes quatre voies.

Les capteurs dotés d'électrodes double face comportent des couches résistives déposées sur les deux faces du substrat. Le capteur dispose de quatre sorties. Le photocourant est réparti en deux composants d'entrée et deux composants de sortie. La distribution des courants de sortie détermine la position de la coordonnée Y et la distribution des courants d'entrée détermine la coordonnée X de la position du faisceau.

Les capteurs dotés d'électrodes à quatre côtés ont une couche résistive sensible située sur un côté du substrat. De tels capteurs sont beaucoup moins chers que les capteurs dotés d'électrodes double face. Cependant, la linéarité de la réponse de ces capteurs diminue à mesure que le faisceau s'éloigne du centre. Cela est dû à l'emplacement des anodes le long du périmètre du capteur ; la non-linéarité est particulièrement visible dans les coins du capteur, là où les anodes se rapprochent. Entreprise Thorlabs utilise l'une des variantes de capteurs avec une disposition d'électrodes à quatre côtés - un capteur en forme de « tampon ». Un modèle d'un tel capteur est présenté dans la figure ci-dessus. Les anodes se déplacent vers les coins du capteur, forme bouclée Les électrodes compensent la distorsion du signal près du périmètre. Ce modèle présente une linéarité au niveau des capteurs à électrodes double face, mais à un coût nettement inférieur.

Principe de calcul de la position du faisceau

Détecteur PDP90A de l'entreprise Thorlabséquipé d'un circuit de calcul de Δx, Δy et de la somme des signaux selon les formules :

Selon ces formules, la distance en unités de longueur peut être calculée à l'aide des équations :

où x et y sont les distances du centre au bord du capteur, Lx et Ly sont les dimensions caractéristiques de la couche résistive. Pour détecteur PDP90A Lx = Ly = 10 mm. Il est à noter que les dimensions de la couche résistive ne correspondent pas aux dimensions de la région active du capteur. La région active est indiquée en gris sur la figure.

Erreur de position

Contrairement aux capteurs quadrants, qui nécessitent le chevauchement des quatre zones actives, les capteurs présentés permettent d'obtenir des informations sur l'emplacement du faisceau en tout point du détecteur, quelles que soient la forme, la taille et la répartition de la puissance dans le faisceau. Le capteur détermine la position du centre du spot lumineux tant que le spot se trouve sur la zone photosensible. Si une partie du point lumineux quitte la surface photosensible, le centre se déplacera et les mesures deviendront peu fiables.

Les niveaux d'éclairage ambiant peuvent également provoquer des erreurs dans les mesures de position du faisceau. Pour réduire les erreurs, il est préférable d'effectuer les mesures dans l'obscurité. L'utilisation d'optiques de focalisation et d'ouvertures réduira également les erreurs liées à la lumière ambiante.

Autorisation

La résolution d'un détecteur sensible à la position correspond au déplacement minimum détectable du point lumineux sur la surface du capteur du capteur. La résolution (ΔR) dépend à la fois de la taille de la couche résistive (L x ou L y) et du rapport signal sur bruit (S/B). Le rapport signal sur bruit de ce système peut être défini comme le rapport de la somme des signaux de sortie (V o) à la tension de bruit (e n). Le bruit de sortie du détecteur PDP90A est<2 мВ (двойная амплитуда сигнала) или 300 мкВ (среднеквадратичное значение).

Où

ΔR – résolution,

Lx est la taille caractéristique de la couche résistive,

e n – tension de bruit à la sortie du détecteur,

Vo – somme des tensions de sortie.

Pour le détecteur PDP90A :

Pour obtenir des résultats optimaux, la valeur V o doit être augmentée à 4 V, ce qui fournira une résolution du détecteur de 0,750 µm. Pour ce faire, il est nécessaire de surveiller le signal de sortie total (SUM) du capteur et d'ajuster simultanément l'intensité du rayonnement incident jusqu'à ce que la tension de sortie atteigne 4 V. Une tension supérieure à 4 V saturera le système et, par conséquent, conduira aux erreurs de mesure. Le logiciel fourni vous permet de surveiller facilement le niveau de tension. Si la tension totale est supérieure au niveau de saturation, le curseur indiquant le niveau de tension totale deviendra rouge. Dans ce cas, il est nécessaire de réduire l’intensité du rayonnement jusqu’à un niveau auquel la couleur du curseur devient verte. Cette valeur correspondra à une tension de sortie de 4 V.

Détecteur sensible à la position basé sur des photodiodes quadrants

Le capteur d'un tel détecteur est constitué de quatre photodiodes quadrants identiques, séparées par un intervalle d'environ 0,1 mm et forment ensemble une zone de détection circulaire permettant de déterminer la position du faisceau incident (au format 2D). Lorsque la lumière atteint le capteur, un photocourant est généré dans chaque zone (sur les figures Q1, Q2, Q3 et Q4). Sur la base de ces signaux, les signaux de différence sont calculés à l'aide d'un CAN. La somme des quatre signaux est également calculée pour la normalisation. Les coordonnées normalisées (X, Y) de la position du faisceau sont déterminées à l'aide des équations :

Si un faisceau symétrique tombe au centre du capteur, alors le système enregistrera 4 photocourants identiques en sortie, c'est-à-dire les signaux de différence seront égaux à 0, et les coordonnées normalisées (X, Y) = (0, 0). Les photocourants changeront si le faisceau est décalé par rapport au centre. Dans ce cas, la différence de courants ne sera pas nulle.

Les détecteurs à photodiode quadrant sont très précis et conviennent parfaitement aux systèmes d'alignement automatique. Cependant, il est nécessaire de surveiller la forme et la distribution de l'intensité dans le faisceau, car ce type de détecteur est sensible à ces paramètres. Pour les faisceaux dont la distribution de puissance n'est pas gaussienne, le centre sera déterminé en fonction de la distribution de puissance (et non du centre géométrique du faisceau). Pour de tels faisceaux, il est préférable d'utiliser les détecteurs décrits au paragraphe précédent.

Les photodiodes à avalanche en mode Geiger ont la capacité de détecter des photons uniques. La sensibilité au niveau d'un photon unique peut être obtenue en augmentant la tension de polarisation au-dessus de la tension de claquage (point A sur la figure 4). Une photodiode à avalanche restera dans un état métastable jusqu'à ce qu'un photon soit absorbé, provoquant la génération d'une avalanche (point B). Cette avalanche est amortie par un circuit d'amortissement actif dans la photodiode (point C), qui réduit la tension de polarisation à des valeurs inférieures à la tension de claquage (V BR).

Figure 4 : Caractéristique courant-tension d'une photodiode à avalanche en mode Geiger

La tension de polarisation élevée peut alors être restaurée. Au cours de ce processus, appelé temps mort de diode, la photodiode à avalanche est insensible aux photons incidents. Lorsque la diode est dans un état métastable, une formation spontanée d'avalanches est possible. Si la formation spontanée d'avalanches se produit de manière chaotique, le signal enregistré est appelé décompte sombre. Si la formation spontanée d'avalanches est en corrélation temporelle avec les impulsions des photons incidents, alors un tel signal est appelé post-impulsion. Pour éviter d'enregistrer des rémanences pendant les mesures, vous pouvez saisir un temps mort supplémentaire par programmation (à l'aide d'un logiciel), ce qui amènera le compteur à ignorer toutes les impulsions survenues pendant cette période.

Caractéristiques et concepts de base

Mode Geiger

Dans ce mode, la diode fonctionne à une tension de polarisation supérieure à la tension de claquage. Par conséquent, une seule paire électron-trou (générée par l’absorption de photons ou des fluctuations thermiques) peut déclencher un processus d’avalanche.

Taux de comptage sombre

C'est la moyenne des comptages enregistrés en l'absence de rayonnement incident, qui définit le taux de comptage minimum auquel le signal enregistré est principalement dû aux photons réels. La détection de faux photons est principalement due aux fluctuations thermiques et peut donc être évitée en utilisant des détecteurs refroidis

Suppression active se produit lorsque le discriminateur détecte l'apparition d'un courant d'avalanche et réduit fortement la tension de polarisation à des valeurs inférieures à la tension de claquage. En préparation de l'enregistrement du photon suivant, la tension de polarisation est à nouveau augmentée jusqu'à des valeurs supérieures à la tension de claquage.

Temps mort est l'intervalle de temps dont le détecteur a besoin pour restaurer un état dans lequel il peut enregistrer des événements sans distorsion. Pendant ce temps, il ne voit pas les photons incidents. La partie du temps mort associée au circuit d'extinction actif peut être définie comme le rapport entre les photons transmis et les photons incidents.

Post-impulsions

Durant le processus avalancheux, certaines charges peuvent être capturées par des pièges. Une fois libérées, ces charges peuvent conduire à la formation d'une avalanche. Ces « faux événements » sont appelés rémanences. La durée de vie de ces charges piégées est de l’ordre de plusieurs dixièmes de microseconde. Par conséquent, l’apparition de post-impulsions est plus probable immédiatement après une impulsion provenant d’un photon réel.

Modèles de base de photodétecteurs de Thorlabs

Le tableau montre les modèles de photodétecteurs de l'entreprise Thorlabs. Les modèles situés sur une même rangée sont équipés des mêmes éléments photosensibles.

Plage de longueurs d'onde de fonctionnement	Matériel
					une photodiode calibrée b Boîtier TO-46 Principe de fonctionnement Depuis l'introduction des premiers photomultiplicateurs commerciaux en 1940, ce type de détecteur est resté l'un des plus populaires pour les expériences nécessitant un temps de réponse rapide et une sensibilité élevée. Aujourd'hui, les photomultiplicateurs sont indispensables pour mener des recherches dans les domaines de la chimie analytique, de la physique des particules, de l'astronomie, de la physique atomique et moléculaire, ainsi qu'en médecine et en contrôle des processus industriels. Les tubes photomultiplicateurs (PMT) sont des détecteurs sensibles à gain élevé dont le courant de sortie est proportionnel au rayonnement incident. Le photomultiplicateur se compose d'un tube à vide en verre contenant une photocathode (matériau photoémissif), 8 à 14 dynodes (émission secondaire) et une anode (collecteur d'électrons secondaires). Si un photon avec une énergie suffisamment élevée (c'est-à-dire avec une énergie supérieure à l'énergie de liaison des électrons du matériau de la photocathode) tombe sur la photocathode, il est absorbé et un électron est émis (effet photoélectrique). Étant donné que le potentiel sur la première dynode est supérieur au potentiel sur la cathode (une différence de potentiel est créée entre ces éléments), l'électron libéré est accéléré dans le champ électrique et dirigé vers le système de dynode, où, en raison du secondaire (impact) émission d'électrons, une avalanche d'électrons se forme, augmentant de dynode en dynode, arrivant à l'anode. En règle générale, chaque dynode a un potentiel de 100 à 200 V supérieur au potentiel de la dynode précédente. Le courant anodique est converti en tension en connectant une charge à faible résistance dans le circuit entre l'anode et la terre. FEU et de l'entreprise Thorlabs utilisez un amplificateur transimpédance (TIA) pour convertir le courant de plaque (nA ou µA) en tension (mV ou V). Modules et ne contiennent pas d'amplificateur de transimpédance. Par exemple, si le PMT est constitué de 8 dynodes, comme le montre la Fig. ci-dessous et chaque électron conduit à l'apparition de 4 électrons secondaires, alors l'amplification du courant après le système de dynode sera de 4 8 ≈ 66 000. Dans l'exemple donné, chaque photoélectron conduit à l'apparition d'une avalanche de charge Q = 4 8 e, qui arrive à l'anode. L'impulsion de tension est égale à V = Q/C = 4 8 e /C, où C est la capacité anodique. Si la capacité est de 5 pF, alors la tension d'impulsion de sortie sera de 2,1 mV. Sensibilité spectrale Lors du choix d'un PMT, vous devez faire attention au matériau de la photocathode, car il détermine la limite de sensibilité spectrale aux ondes longues. La limite des longueurs d'onde courtes est déterminée par le matériau de la fenêtre. Aujourd'hui, différents types de photomultiplicateurs sont fabriqués pour fonctionner dans la gamme UV à IR, en utilisant différents matériaux de photocathode, chacun étant conçu pour fonctionner dans une plage spectrale spécifique. L'efficacité quantique (QE) est une valeur, exprimée en %, qui caractérise la capacité d'un photomultiplicateur à convertir les photons incidents en électrons. Par exemple, le QE est de 20 %. Cela signifie qu’un photon sur cinq incident sur la photocathode produira des photoélectrons. Pour les problèmes de comptage de photons, il est souhaitable de disposer d’un photomultiplicateur à haut rendement quantique. Puisque le QE dépend de la longueur d’onde, il est nécessaire de sélectionner un PMT avec une efficacité quantique maximale dans la plage spectrale d’intérêt. Il convient de noter que les photocathodes pour la région visible du spectre ont généralement un QE<30%. L'efficacité quantique d'un photomultiplicateur peut être calculée à l'aide de la formule : où S est la sensibilité intégrale [A/W], λ est la longueur d'onde [nm]. Configuration du PMT Deux configurations principales de PMT sont disponibles : la fenêtre d'entrée est située à l'extrémité ou sur la paroi latérale de la fiole à vide. Dans le cas où la fenêtre d'entrée est située à l'extrémité, le PMT est équipé de photocathodes translucides et se caractérise par une grande zone active, une homogénéité spatiale et des performances plus élevées dans les régions bleues et vertes du spectre. Cette configuration est préférée pour les applications nécessitant une large sensibilité spectrale, telles que la spectroscopie. Les PMT à fenêtre latérale utilisent des photocathodes opaques, une configuration la plus couramment utilisée pour les applications UV et IR. La configuration à fenêtre latérale est moins coûteuse que la configuration à fenêtre d'extrémité et est souvent utilisée pour des applications nécessitant une efficacité quantique élevée, telles que les mesures de scintillation. 8 à 14 dynodes sont disposées linéairement ou en cercle. Avec une disposition linéaire (comme le montre la figure), le PMT a un temps de réponse rapide, une haute résolution et une linéarité. Les dynodes sont disposées en cercle dans les PMT à fenêtre latérale et dans certains PMT à fenêtre d'extrémité, et le système a une taille compacte et un temps de réponse rapide. Gagner Les PMT sont uniques car ils sont capables d'amplifier des signaux très faibles provenant de la photocathode jusqu'à un niveau détectable supérieur au bruit de lecture sans introduire d'interférence significative. Les dynodes sont chargées d'amplifier le signal dans le photomultiplicateur et le gain dépend de la tension appliquée. Le PMT peut fonctionner à des tensions supérieures à celles recommandées par le fabricant, tout en fournissant un gain 10 à 100 fois supérieur à celui spécifié dans la spécification. Lorsqu'il fonctionne dans ce mode, le photomultiplicateur n'a pas d'impact négatif si le courant anodique est inférieur aux valeurs maximales admissibles. Courant sombre Dans le cas d'un PMT idéal, tous les signaux produits par la photocathode sont dus à la lumière entrant dans le tube. Cependant, les vrais PMT génèrent du courant même en l’absence de rayonnement incident. Le signal généré par un PMT en l’absence de lumière est appelé courant d’obscurité. Ce signal réduit considérablement le rapport signal/bruit du PMT. Le courant d'obscurité est principalement provoqué par l'émission thermoionique d'électrons de la photocathode et des premières dynodes, et dans une moindre mesure par les rayons cosmiques et les radiations. Les photomultiplicateurs conçus pour les applications dans la région rouge du spectre ont des valeurs de courant d'obscurité plus élevées que les autres photomultiplicateurs en raison de la faible énergie de liaison des électrons dans les photocathodes, qui sont sensibles dans la région rouge du spectre. L'émission thermoionique dépend de la température de la photocathode et de la fonction de travail, ce qui signifie que le refroidissement du PMT peut réduire considérablement le courant d'obscurité. Lors de l'utilisation de PMT refroidis thermoélectriquement, la condensation sur la fenêtre d'entrée doit être évitée, car l'humidité réduira la quantité de lumière incidente sur la photocathode. De plus, il faut éviter un refroidissement excessif, car cela peut entraîner des conséquences négatives : une diminution du niveau du signal ou de la tension à la cathode, car La résistance du film cathodique est inversement proportionnelle à la température. Temps de montée Pour les expériences nécessitant une résolution temporelle élevée, le temps de montée doit être court. Le temps de montée de l'impulsion de courant anodique est le plus souvent utilisé comme caractéristique des performances du PMT. En fin de compte, le temps de montée de l’impulsion est déterminé par le temps de propagation des différents électrons. C'est différent pour plusieurs raisons. Premièrement, les vitesses initiales des électrons secondaires diffèrent. parce que ils sont éliminés à des endroits de différentes profondeurs dans le matériau de la dynode. Certains électrons qui partent ont une énergie initiale non nulle, ils atteindront donc la prochaine dynode dans un temps plus court. Le temps de vol des électrons dépendra également de la longueur du trajet. En raison de tous ces effets, le temps de montée de l'impulsion de courant anodique diminuera avec l'augmentation de la tension comme V -1/2. Autres facteurs Lorsque vous travaillez avec des PMT, vous devez sélectionner soigneusement l'électronique qui sera utilisée. Même de petites fluctuations de la haute tension appliquée entre la cathode et l'anode peuvent grandement affecter le signal de sortie. De plus, les conditions environnementales peuvent également affecter les performances des PMT. Les changements de température et d'humidité, ainsi que les vibrations, affectent négativement les performances des PMT. Le boîtier du PMT est également d'une grande importance : il protège non seulement le tube de la lumière étrangère, mais réduit également l'influence des champs magnétiques externes. Un champ avec une induction magnétique de plusieurs gauss peut réduire le gain. Ceci peut être évité en utilisant un bouclier magnétique constitué d'un matériau à haute perméabilité magnétique.

Une photodiode est un dispositif photovoltaïque à semi-conducteur qui utilise l'effet photoélectrique interne. La conception d’une photodiode est similaire à celle d’une diode planaire classique. La différence est que sa jonction p-n a un côté faisant face à la fenêtre en verre par laquelle la lumière entre et est protégée de la lumière de l'autre côté. Les photodiodes peuvent fonctionner dans l'un des deux modes suivants :

– sans source d’énergie électrique externe (vanne ou photogénérateur, mode photovoltaïque) ;

– avec une source d’énergie électrique externe (photodiode ou mode photoconversion).

Considérons le fonctionnement d'une photodiode en mode valve ; le circuit de connexion est représenté sur la Fig. 8.7.

Graphique 8.7. Schéma de circuit pour connecter une photodiode pour un fonctionnement en mode grille

En l’absence de flux lumineux, une différence de potentiel de contact est créée à la limite de jonction p – n. À travers la transition, deux courants circulent l'un vers l'autre - I dr et I diff, qui s'équilibrent. Lorsque la jonction p – n est éclairée, les photons, passant dans l'épaisseur du semi-conducteur, confèrent à une partie des électrons de valence une énergie suffisante pour leur transition vers la bande de conduction, c'est-à-dire En raison de l’effet photoélectrique interne, des paires électron-trou supplémentaires sont générées. Sous l'influence de la différence de potentiel de contact de la jonction p – n, les porteurs de charge minoritaires de la région n - les trous - se déplacent dans la région p, et les porteurs de charge minoritaires de la région p - les électrons - dans la région n. -région. Le courant de dérive reçoit un incrément supplémentaire, appelé photocourant. La dérive des porteurs minoritaires conduit à l'accumulation de trous en excès dans la région p, et d'électrons dans la région n, ce qui conduit à la création d'une différence de potentiel aux bornes des photodiodes. lorsque le circuit externe est ouvert, appelé photo-EMF. La barrière de transition potentielle, comme pour la tension continue, diminue de la quantité de photo-EMF, appelée tension en circuit ouvert U xx lorsque le circuit externe est ouvert. L'abaissement de la barrière de potentiel augmente le courant de diffusion DI diff des porteurs majoritaires à travers la jonction. Il est dirigé vers le photocourant. L'interrupteur étant ouvert, un équilibre thermodynamique des courants s'établit dans la structure :

La valeur photo-emf ne peut pas dépasser la différence de potentiel de contact de la jonction p – n. Sinon, en raison de la compensation complète du champ dans la jonction, la séparation des porteuses générées optiquement s'arrête. Ainsi, par exemple, pour les photodiodes au sélénium et au silicium, la photo-emf atteint 0,5...0,6 V, pour les photodiodes en arséniure de gallium - 0,87 V.

Lorsqu'une charge est connectée à une photodiode éclairée (la clé est fermée), un courant apparaîtra dans le circuit électrique en raison de la dérive des porteurs minoritaires. La valeur du courant dépend de la photo-EMF et de la résistance de charge ; le courant maximum avec le même éclairage de photodiode sera lorsque la résistance de la résistance est nulle, c'est-à-dire lorsque la photodiode est en court-circuit. Lorsque la résistance de la résistance n'est pas nulle, le courant dans le circuit externe de la photodiode diminue.

Le courant qui traverse la photodiode peut s’écrire comme suit :

où je f – photocourant;

I 0 – courant thermique de la jonction p – n ;

U est la tension aux bornes de la diode.

Avec le circuit externe ouvert (R n =¥, I f total =0), il est facile d'exprimer la tension à la transition à vide, qui est égale à la photo-EMF :

Les photodiodes fonctionnant en mode photogénérateur sont souvent utilisées comme sources d'énergie qui convertissent l'énergie du rayonnement solaire en énergie électrique.

En mode de fonctionnement photodiode ou photoconversion, une source d'énergie externe est allumée en série avec la photodiode, polarisant la diode dans le sens opposé (Fig. 5.12).

Figure 8.8. Circuit de connexion de photodiode pour un fonctionnement en mode photodiode

En l'absence de flux lumineux et sous l'action d'une tension appliquée en inverse, le courant inverse initial habituel I o, appelé sombre, traverse la photodiode. Le courant d'obscurité limite la valeur minimale du flux lumineux. Lorsqu'une photodiode est éclairée, les quanta de lumière éliminent en outre les électrons des liaisons de valence du semi-conducteur, augmentant ainsi le flux de porteurs de charge minoritaires à travers la jonction p-n. Plus le flux lumineux incident sur la photodiode est important, plus la concentration de porteurs de charge minoritaires à proximité de la couche barrière est élevée et plus le photocourant, déterminé par la tension de la source externe et le flux lumineux, traverse la diode.

Avec une résistance de charge Rn et une tension d'alimentation correctement sélectionnées, ce courant ne dépendra que de l'éclairage de l'appareil et la chute de tension aux bornes de la résistance peut être considérée comme un signal utile.

Le mode photodiode se caractérise par une sensibilité élevée, une large plage dynamique de conversion du rayonnement optique et des performances élevées (la capacité barrière de la jonction p – n diminue). L'inconvénient du mode de fonctionnement de la photodiode est le courant d'obscurité important, qui dépend de la température.

5.9. Caractéristiques et paramètres de la photodiode

La photodiode est décrite par les caractéristiques courant-tension, énergie (lumière), spectrale et fréquentielle illustrées à la Fig. 8.9, 8.10.

Si une source de tension est connectée à une photodiode éteinte, dont la valeur et la polarité peuvent être modifiées, alors les caractéristiques courant-tension obtenues auront la même forme que celles d'une diode semi-conductrice conventionnelle (Fig. 8.9a). Lorsque la photodiode est éclairée, seule la branche inverse de la caractéristique courant-tension change de manière significative, tandis que les branches directes à des tensions relativement basses coïncident pratiquement.

Graphique 8.9. Schéma de circuit pour connecter une photodiode pour un fonctionnement en mode grille

Dans le quadrant III, la photodiode fonctionne en mode photodiode, et dans le quadrant IV en mode photovalve, et la photocellule devient une source d'énergie électrique. Le quadrant I est la région non active de la photodiode ; dans ce quadrant, la jonction p – n est polarisée en direct.

La caractéristique énergétique d'une photodiode relie le photocourant au flux lumineux incident sur la photodiode Fig. 8.9, b. Lorsque la photodiode fonctionne en mode valve, les caractéristiques spectrales dépendent largement de la résistance de la résistance incluse dans le circuit externe. À mesure que la résistance de charge augmente, les caractéristiques deviennent de plus en plus déformées et, à des résistances élevées, elles présentent une zone de saturation prononcée. Lorsque la photodiode fonctionne en mode photodiode, les caractéristiques énergétiques sont linéaires, c'est-à-dire Presque tous les photoporteurs atteignent la jonction p – n et participent à la formation du photocourant.

Les caractéristiques spectrales d'une photodiode sont similaires aux caractéristiques correspondantes d'une photorésistance et dépendent du matériau de la photodiode et de la quantité d'impuretés (Fig. 8.10a).

Graphique 8.10. Réponse spectrale (a) et fréquentielle de la photodiode

Les photodiodes au sélénium ont une caractéristique spectrale de forme similaire à la dépendance spectrale de la sensibilité de l'œil humain. Les photodiodes au germanium et au silicium sont sensibles à la fois dans les parties visible et infrarouge du spectre de rayonnement.

La réponse en fréquence montre le changement de sensibilité intégrale lorsque la luminosité du flux lumineux change avec différentes fréquences de modulation (Fig. 8.1,b). Les performances d'une photodiode sont caractérisées par une fréquence de coupure à laquelle la sensibilité intégrale diminue d'un facteur de sa valeur basse fréquence.

Pour augmenter la sensibilité et la vitesse, les photodiodes suivantes ont été développées : avec un champ électrique intégré ; photodiodes à structure p–i–n ; avec une barrière Schottky ; photodiodes à avalanche.

Les photodiodes avec un champ électrique intégré ont une base inégalement dopée, ce qui crée un champ électrique interne qui accélère le mouvement des porteurs de charge minoritaires.

Les photodiodes avec une structure p – i – n ont une plus grande épaisseur de la région dépourvue de porteurs majoritaires ; la région i a une résistivité 10 6 ... 10 7 fois supérieure à la résistance des régions dopées de type n et p ; . Des tensions inverses importantes peuvent être appliquées à la jonction et un champ électrique uniforme est établi dans toute la région i. Le rayonnement lumineux incident est absorbé par la région i, qui possède un champ électrique puissant, ce qui contribue à la dérive rapide des porteurs vers les régions correspondantes.

Les photodiodes avec barrière Schottky atteignent des performances élevées grâce à la résistance de base minimale et à l'absence de processus d'accumulation et de résorption des charges excédentaires. Dans les photodiodes à avalanche, la multiplication par avalanche des porteurs se produit dans la jonction p – n, et de ce fait, la sensibilité augmente fortement, leur vitesse de fonctionnement est f gr = 10 11 ... 10 12 Hz. Ces diodes sont considérées comme l’un des éléments prometteurs de l’optoélectronique.

Les paramètres de la photodiode sont les suivants :

1. Courant d'obscurité I T - le courant inverse initial circulant à travers la diode en l'absence de polarisation externe et de rayonnement lumineux (10...20 µA pour le germanium et 1...2 µA pour les diodes au silicium).

2. Tension de fonctionnement U p – tension nominale appliquée à la photodiode en mode photodiode (U p = 10...30 V).

3. La sensibilité intégrale S int montre comment le photocourant change avec un seul changement du flux lumineux :

4. Fréquence de coupure f gr – fréquence à laquelle la sensibilité intégrale diminue d'un facteur (10 7 ... 10 12 Hz).

Les principales caractéristiques d'une photodiode sont : la caractéristique courant-tension, lumineuse et spectrale.

Caractéristique courant-tension. Dans le cas général (pour toute polarité U), le courant de la photodiode est décrit par l'expression (1). Cette expression représente la dépendance du courant de la photodiode I f sur la tension sur la photodiode U à différentes valeurs du flux de rayonnement Ф, c'est-à-dire est l'équation de la famille des caractéristiques courant-tension d'une photodiode. Les graphiques des caractéristiques courant-tension sont présentés sur la Fig. 1.7 .

Riz. 1.7 Caractéristiques I-V de la photodiode.

La famille des caractéristiques courant-tension d'une photodiode se situe dans les quadrants I, III et IV. Le quadrant I est la région non active de la photodiode : dans ce quadrant, une tension continue est appliquée à la jonction p-n et la composante de diffusion du courant supprime complètement le photocourant (I p - n >> I f). Le photocontrôle via une diode devient impossible.

Le quadrant III est la région de photodiode de la photodiode. Une tension inverse est appliquée à la jonction p-n. Il convient de souligner que dans la plage de fonctionnement des tensions inverses, le photocourant est pratiquement indépendant de la tension inverse et de la résistance de charge. La caractéristique courant-tension de la résistance de charge R est une droite dont l'équation est :

E arr - Si f · R = U,

où U arr est la tension de la source de tension inverse ; U – tension inverse sur la photodiode ; I f – photocourant (courant de charge).

La photodiode et la photorésistance de charge sont connectées en série, c'est-à-dire le même courant I f les traverse. Ce courant I f peut être déterminé par le point d'intersection des caractéristiques courant-tension de la photodiode et de la résistance de charge (Figure 1.7 quadrant III Ainsi, en mode photodiode pour un flux de rayonnement donné, la photodiode est une source de). courant I f par rapport au circuit extérieur. La valeur du courant I f ne dépend pratiquement pas des paramètres du circuit externe (U arr, R) (Fig. 1.7.).

Le quadrant IV de la famille des caractéristiques courant-tension de la photodiode correspond au mode de fonctionnement photovoltaïque de la photodiode. Les points d'intersection des caractéristiques courant-tension avec l'axe des tensions correspondent aux valeurs de photo-EMF E f ou de tensions en circuit ouvert U xx (R n = ∞) à différents flux F. Pour les photodiodes silicium, la photo -EMF est de 0,5-0,55 V. Points d'intersection Les caractéristiques voltampères avec l'axe du courant correspondent aux valeurs des courants de court-circuit I court-circuit (R n = 0). Les valeurs intermédiaires de résistance à la charge sont déterminées par les lignes de charge qui, pour différentes significations R n quitte l'origine sous différents angles. A une valeur de courant donnée, en fonction des caractéristiques courant-tension de la photodiode, vous pouvez sélectionner le mode de fonctionnement optimal de la photodiode en mode photovoltaïque (Fig. 1.8). En mode optimal dans dans ce cas comprendre le choix d'une telle résistance de charge à laquelle la plus grande puissance électrique sera transmise à R n.

Figure 1.8. Caractéristiques I-V d'une photodiode en mode photovoltaïque.

Le mode optimal pour le flux F1 correspond à la ligne de charge R1 (l'aire du rectangle ombré avec le sommet au point A, où les lignes F1 et R1 se croisent, sera la plus grande - Fig. 1.8). Pour les photodiodes au silicium à charge optimale, la tension sur la photodiode est U=0,35-0,4 V.

Caractéristiques lumineuses (énergie) d'une photodiode– c'est la dépendance du courant sur le flux lumineux I = f(F) :

Riz. 1.9. Caractéristique lumineuse FD.

En mode photodiode, la caractéristique énergétique dans la plage de fonctionnement des flux de rayonnement est linéaire.

Cela suggère que presque tous les photoporteurs atteignent la jonction pn et participent à la formation du photocourant ; la perte de porteurs minoritaires due à la recombinaison ne dépend pas du flux de rayonnement ;

En mode photovoltaïque, les caractéristiques énergétiques sont représentées par les dépendances du courant de court-circuit I kz ou de la photo-EMF E f sur le flux de rayonnement F. Aux flux élevés F, la loi de variation de ces dépendances s'écarte considérablement de la loi linéaire (Fig. 1.10).

Photodiode mode

Fig.1.10.Caractéristiques lumineuses du PD

Pour la fonction Ic = f(F), l'apparition de non-linéarité est associée à une augmentation de la chute de tension aux bornes de la résistance volumique de la base semi-conductrice. La diminution de la photo-emf s'explique par une diminution de la hauteur de la barrière de potentiel avec l'accumulation d'un excès de charge d'électrons dans la région n et de trous dans la région p.

Le mode diode présente les avantages suivants par rapport au mode générateur :

· le courant de sortie en mode photodiode ne dépend pas de la résistance de la charge ; en mode générateur, le courant d'entrée maximum ne peut être obtenu qu'avec un court-circuit dans la charge.

· Le mode photodiode se caractérise par une sensibilité élevée, une large plage dynamique de conversion du rayonnement optique, des performances élevées (barrière capacité p-n la transition diminue).

L'inconvénient du mode de fonctionnement de la photodiode est la dépendance du courant d'obscurité (inverse p-n actuel transition) sur la température.

Les principaux paramètres sont :

· courant d'obscurité I t.

· tension de fonctionnement U esclave – tension appliquée à la diode en mode photoconversion.

· Sensibilité intégrale K f.