Diode qui génère des charges (un courant) sous l'effet de la lumière. Elle sert d'élément photosensible dans les pixels des capteurs d'image.
Nom japonais: フォトダイオード
« Photodiode » apparaît dans 22 questions d'entraînement réparties sur 5 thèmes, dont Capteurs d'images et composants optiques, Photonique sur silicium, Jonction PN et diodes.
Un photon d'énergie supérieure à la bande interdite crée une paire électron-trou. Si la paire est générée dans la zone de déplétion d'une jonction PN ou à proximité, le champ interne sépare les porteurs et un photocourant circule. La polarisation inverse élargit la zone de déplétion et réduit la capacité de jonction, ce qui accélère la réponse, tandis que le fonctionnement sans polarisation donne un courant d'obscurité plus faible pour la mesure précise de lumières faibles. Le photocourant est quasiment proportionnel à l'intensité lumineuse sur de nombreuses décades ; la sensibilité du silicium est d'environ 0,5 à 0,6 A/W vers 800 à 900 nm. Un amplificateur transimpédance convertit généralement le courant en tension.
La bande interdite de 1,12 eV du silicium fixe un seuil d'absorption vers 1,1 µm, et la lumière visible de grande longueur d'onde et le proche infrarouge sont faiblement absorbés : la profondeur d'absorption est d'environ 1,5 µm à 550 nm, d'environ 20 µm à 850 nm et de plus de 50 µm à 940 nm. Les photodiodes minces ont donc une faible sensibilité dans l'infrarouge, et l'on utilise du germanium ou des semi-conducteurs composés aux longueurs d'onde des télécoms. Le courant d'obscurité, généré thermiquement via les états d'interface, les défauts et la contamination métallique, circule même sans lumière ; dans les capteurs d'image, il double à peu près tous les 6 à 8 °C, provoquant du bruit et des pixels chauds.
Dans un pixel de capteur d'image CMOS, une photodiode pincée (pinned photodiode) collecte des électrons pendant l'exposition. Sa région n est enterrée sous une couche de surface p+ fortement dopée qui supprime le courant d'obscurité dû aux états d'interface et permet à la région de se dépléter entièrement, si bien qu'un transistor de transfert peut déplacer toute la charge vers une diffusion flottante. L'échantillonnage avant et après le transfert, appelé double échantillonnage corrélé, annule le bruit de réinitialisation. La capacité de puits plein (full well) va de quelques milliers d'électrons dans les petits pixels à environ 100 000 dans les grands. Comme une photodiode ne détecte que l'intensité, la couleur nécessite des filtres au-dessus de chaque pixel.
Une photodiode ordinaire n'a pas de gain interne : un photon absorbé produit au plus une paire électron-trou. Une photodiode à avalanche (APD) est polarisée près du claquage, de sorte que l'ionisation par impact multiplie le photocourant par quelques dizaines à quelques centaines, ce qui élève les signaux faibles au-dessus du bruit de l'amplificateur dans les récepteurs optiques et les LiDAR. Une diode à avalanche à photon unique (SPAD) est polarisée au-delà du claquage en mode Geiger, où un seul photon déclenche une impulsion importante. La même jonction PN utilisée sans polarisation pour fournir de l'énergie est essentiellement une cellule solaire.
Réponse : B. Appliquer une polarisation inverse et recueillir sous forme de courant les porteurs générés par la lumière dans la zone de déplétion
Une polarisation inverse élargit la zone de déplétion de la photodiode ; les électrons et trous qui y sont générés par la lumière sont rapidement séparés par le champ, et un photocourant proportionnel à l'intensité lumineuse circule. La polarisation inverse réduit aussi la capacité de jonction, ce qui accélère la réponse. Le photocourant étant proportionnel à l'éclairement sur plusieurs décades, les photodiodes servent dans les luxmètres, la réception en télécommunications optiques et la lecture des CD et DVD. Le mode photovoltaïque, sans polarisation, présente un faible courant d'obscurité et convient à la mesure précise de lumière très faible.
Réponse : B. Elle amplifie en interne le photocourant par multiplication par avalanche et détecte avec une grande sensibilité les lumières faibles
L'APD est une photodiode soumise à une forte polarisation inverse proche de la tension de claquage, qui multiplie par avalanche les porteurs photogénérés d'un facteur de quelques dizaines à quelques centaines. Ce gain interne permet de détecter des lumières faibles qui seraient noyées dans le bruit de l'amplificateur suivant. Elle sert dans les récepteurs de télécommunications optiques et le LiDAR ; le mode Geiger (SPAD), au-delà de la tension de claquage, produit une forte impulsion pour un seul photon et sert à la mesure de distance et à l'optique quantique.
La polarisation inverse élargit la zone de déplétion, de sorte que davantage de porteurs photogénérés sont collectés rapidement, et elle réduit la capacité de jonction, ce qui accélère la réponse. La contrepartie est un courant d'obscurité plus élevé qu'en fonctionnement sans polarisation.
Une photodiode standard produit une paire électron-trou par photon absorbé, sans gain. Une APD est polarisée près du claquage pour que la multiplication par avalanche amplifie le photocourant en interne, ce qui permet de détecter une lumière beaucoup plus faible.
Un photon à 1 550 nm a une énergie d'environ 0,8 eV, inférieure à la bande interdite de 1,12 eV du silicium : il ne peut donc pas créer de paires électron-trou. On utilise des détecteurs en germanium ou en InGaAs à cette longueur d'onde.
Une polarisation inverse élargit la zone de déplétion de la photodiode ; les électrons et trous qui y sont générés par la lumière sont rapidement séparés par le champ, et un photocourant proportionnel à l'intensité lumineuse circule.
Quelle utilisation courante d'une photodiode pour la détect…L'APD est une photodiode soumise à une forte polarisation inverse proche de la tension de claquage, qui multiplie par avalanche les porteurs photogénérés d'un facteur de quelques dizaines à quelques centaines.
Quelle caractéristique d'une photodiode à avalanche (APD) e…La tension aux bornes de la photodiode étant maintenue quasi nulle, la réponse est rapide et la linéarité bonne.
Quel montage convertit le courant d'une photodiode en tensi…Dans une photodiode, les photons absorbés créent des paires électron-trou, séparées par le champ de la zone de déplétion, qui forment le courant.
Lorsqu'on augmente l'intensité de la lumière frappant une p…Une barrière ou un creux de potentiel entre la photodiode et la grille de transfert laisse des charges en arrière, qui s'ajoutent au signal de la trame suivante sous forme de rémanence (image lag).
Dans un capteur d'image CMOS, quel problème survient lorsqu…Capteur d'image CMOS Courant d'obscurité Photodiode enterrée (pinned photodiode) Absorption (perte de chiffres) Zone de déplétion (zone de charge d'espace) Contre-réaction Amplificateur à transimpédance Double échantillonnage corrélé (CDS) Rendement quantique États d'interface