Caractéristiques des différentes technologies de photodiodes

Découvrez les différences entre les photodiodes au silicium et les photodiodes fabriquées à partir d'autres matériaux semi-conducteurs.

Dans cet article, nous discuterons de différents types de technologies de photodiodes et des avantages et inconvénients des semi-conducteurs utilisés pour les créer, à savoir le silicium

Il s'agit de la quatrième partie de notre série sur les photodiodes, qui vous préparera à en savoir plus sur l'utilisation des photodiodes dans les circuits photosensibles et leurs applications. Si vous souhaitez lire le reste, consultez les liens ci-dessous.

• Si vous souhaitez en savoir plus sur les bases, commencez par le premier article, qui traite de la physique de la lumière et de la façon dont les jonctions pn sont utilisées pour former des diodes.
• La deuxième partie se concentre sur les jonctions pn qui sont sensibles à la lumière.
• Le troisième volet couvre les diodes photoconductrices et photovoltaïques.
• La dernière pièce traite du circuit équivalent de photodiode.

La photodiode au silicium

Le silicium n'est certainement pas un matériau semi-conducteur exotique, mais il fait une excellente photodiode. Les photodiodes au silicium sont un excellent choix pour de nombreuses applications de lumière visible.

C'est la principale restriction à garder à l'esprit avec le silicium :il est sensible principalement aux longueurs d'onde de la lumière visible. Dans de nombreux systèmes, comme un gradateur de lumière qui réagit aux niveaux de lumière ambiante, c'est exactement ce que vous voulez. Une photodiode au silicium améliorée par infrarouge vous donnera plus de sensibilité aux longueurs d'onde dans la région du proche infrarouge, si cela est important dans votre application.

Ce graphique du Silicon Photodiodes Handbook de Hamamatsu montre la réponse spectrale pour une variété de leurs produits photodétecteurs au silicium. QE signifie efficacité quantique.

Les photodiodes au silicium sont d'excellents détecteurs de lumière à usage général. Ils sont fiables et largement disponibles, leur réponse électrique à l'éclairement est très linéaire et ils ont de bonnes performances en matière de courant d'obscurité et de bande passante. En fait, les photodiodes au courant d'obscurité le plus faible et à la vitesse la plus élevée vendues par Thorlabs sont toutes deux des dispositifs au silicium.

Détecteurs infrarouges

Antimoniure d'indium (InSb)

Quand je pense aux photodiodes, le premier matériau qui me vient à l'esprit est l'InSb. C'est beaucoup moins courant que le silicium, mais cela a été gravé dans ma conscience d'ingénieur car l'un des projets d'entreprise les plus importants sur lesquels j'ai jamais travaillé a été construit autour d'un ensemble de photodiodes InSb.

InSb est sensible aux infrarouges à courte et moyenne longueur d'onde et offre d'excellentes performances pour les applications qui doivent détecter des signatures thermiques au lieu de la lumière visible. Cependant, pour tirer le meilleur parti d'InSb, vous devrez faire un effort supplémentaire, à savoir refroidir la photodiode à des températures cryogéniques. Ils fabriquent des objets appelés dewars qui abritent la diode et contiennent de l'azote liquide. Vous remplissez le dewar de LN2, puis votre détecteur InSb est prêt pour une sensibilité maximale.

Arséniure d'Indium Gallium (InGaAs) et Germanium (Ge)

L'InGaAs est largement utilisé comme matériau de détection infrarouge rapide et à haute sensibilité. Contrairement à l'InSb, il est couramment utilisé à température ambiante et présente un peu plus de réactivité aux longueurs d'onde plus courtes :l'InSb s'étend jusqu'à environ 1 µm, tandis que la gamme InGaAs descend jusqu'à environ 0,7 µm.

Le germanium est similaire à l'InGaAs en ce qui concerne la réponse spectrale et il fonctionne à température ambiante. InGaAs peut atteindre un rapport signal/bruit nettement plus élevé.

Tellurure de mercure et de cadmium (HgCdTe)

Le tellurure de mercure et de cadmium joue un rôle important en tant que détecteur pour les applications IR à grande longueur d'onde. La réponse spectrale de l'InGaAs et de l'InSb diminue à 2–3 µm et 5–6 µm, respectivement, tandis que HgCdTe s'étend jusqu'à 16 µm. L'IR à grande longueur d'onde (LWIR) est utilisé pour la détection thermique passive et l'imagerie.

Comme les détecteurs InSb, les détecteurs HgCdTe sont refroidis à des températures cryogéniques. Il s'agit d'un inconvénient majeur et de nombreux appareils utilisent des microbolomètres non refroidis pour l'imagerie LWIR ; les microbolomètres répondent directement à l'énergie thermique, contrairement aux photodiodes, qui répondent aux photons incidents dans le rayonnement électromagnétique. Les microbolomètres sont moins chers, plus petits et plus économes en énergie; HgCdTe produit des images de meilleure qualité.

Détecteurs d'ultraviolets

Bien que le silicium soit principalement sensible aux longueurs d'onde visibles, une photodiode au silicium peut être optimisée pour une réponse UV améliorée. Ces dispositifs sont appelés photodiodes au silicium renforcées par UV. C'est une approche pour mesurer la lumière UV.

Vous connaissez probablement le carbure de silicium (SiC). C'est un matériau semi-conducteur de plus en plus important qui est principalement associé aux MOSFET haute puissance, mais il s'avère que les diodes SiC sont d'excellents détecteurs UV.

Les photodiodes au carbure de silicium sont des dispositifs robustes qui ne sont naturellement sensibles qu'à la lumière UV dans la bande 200 nm à 400 nm.

Il s'agit de la réponse spectrale normalisée d'une photodiode en carbure de silicium fabriquée par Electro Optical Components.

Cette réponse spectrale limitée signifie que les photodiodes SiC ne nécessitent pas de filtrage optique dans les systèmes qui doivent empêcher la lumière visible ou infrarouge d'interférer avec les mesures UV. Les photodiodes au silicium améliorées aux UV ne sont que cela – améliorées pour la sensibilité aux UV. Ils conservent leur sensibilité à la lumière visible, et en fait ils sont beaucoup plus sensibles à la lumière visible qu'aux UV.

La relation mathématique entre la puissance lumineuse incidente et le photocourant généré est appelée réactivité. La réactivité maximale du SiC est plutôt faible par rapport à la réactivité maximale du silicium, mais la réactivité maximale du silicium n'est pas pertinente pour les applications UV car elle se produit loin des longueurs d'onde UV. La réactivité du SiC est similaire à la réactivité du silicium si nous ne regardons que la portion 200-400 nm du spectre.

Récapitulatif

Les photodiodes au silicium fournissent une mesure pratique et performante de l'éclairement dans le spectre visible. Les matériaux standard pour la détection infrarouge sont l'antimoniure d'indium (InSb), l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs), le germanium (Ge) et le tellurure de mercure et de cadmium (HgCdTe). Pour les applications UV, le silicium renforcé aux UV est une option, et le carbure de silicium mérite d'être pris en considération si vous avez besoin d'un fonctionnement fiable à haute température ou si votre détecteur doit ignorer la lumière visible et infrarouge.

Article suivant de la série Introduction aux photodiodes :Comprendre le circuit équivalent des photodiodes