Comment utiliser les photodiodes et phototransistors plus efficacement ?

Les photodiodes et phototransistors sont des transducteurs électro-optiques étroitement liés qui convertissent une lumière incidente en courant électrique dans des applications comme la détection de présence/position, la mesure de l'intensité lumineuse et la détection des impulsions optiques haute vitesse. Cependant, pour pouvoir pleinement exploiter ces dispositifs, les concepteurs doivent porter une attention particulière aux circuits de l'interface, à la longueur d'onde et à l'alignement optique mécanique.

Par exemple, des circuits d'interface adaptés sont nécessaires pour extraire le courant maximal dans des conditions et des intensités variables. Cependant, une application efficace nécessite également une compréhension des principes de fonctionnement des phototransistors et photodiodes, et de leurs différences.

Cet article aborde les principes de fonctionnement de ces dispositifs, certains facteurs paramétriques critiques à prendre en compte et certaines nuances infimes concernant l'application des dispositifs. Il donne également quelques exemples de solutions.

Notions de base et attributs des photodiodes et des phototransistors

Les photodiodes produisent un flux de courant lorsqu'elles absorbent de la lumière. La Figure 1 illustre deux types de photodiodes. Le premier est le plus connu. Il s'agit d'une diode photovoltaïque (cellule solaire) qui produit du courant sous l'effet d'un rayonnement lumineux. Le second est un photoconducteur, qui est en fait une photodiode à polarisation inverse. Un rayonnement lumineux sur la photodiode entraîne la diminution de sa résistance au courant à polarisation inverse.

Ce courant peut être mesuré pour évaluer la valeur de l'intensité de la lumière incidente. En d'autres termes, la photodiode agit comme une restriction du flux de courant qui diminue à mesure que la lumière augmente. Dans presque tous les cas, la photodiode doit être utilisée avec un amplificateur associé, comme un amplificateur d'adaptation d'impédance (TIA) pour convertir le flux de courant en un signal utile.

Figure 1 : En raison de la nécessité d'une lentille et d'un chemin optique vers la puce du capteur, les photodiodes et les phototransistors nécessitent un conditionnement qui diffère des diodes et transistors conventionnels. (Source de l'image : Learnabout-electronics)

Les phototransistors sont un peu plus compliqués que les photodiodes, car il s'agit de transistors dont la borne de base est exposée. Les photons qui arrivent jusqu'au dispositif activent le transistor. Hormis cela, le comportement est similaire à celui d'un transistor traditionnel. (Au tout début des dispositifs à semi-conducteurs, certains transistors et de nombreuses diodes avaient des boîtiers transparents, ce qui entraînait un comportement irrégulier du circuit en fonction de l'intensité du rayonnement lumineux sur le circuit !) Le circuit équivalent d'un phototransistor est une photodiode dont le photocourant de sortie circule dans la base d'un transistor à petits signaux (Figure 2).

Figure 2 : Le modèle électrique et physique d'un phototransistor est une photodiode dont le photocourant de sortie circule dans la base d'un transistor à petits signaux. (Source de l'image : Mechapedia/Université Northwestern)

Comme le phototransistor est un dispositif à trois bornes, il est possible de le connecter de plusieurs manières. Les amplificateurs à émetteur commun (CE) et à collecteur commun (CC) constituent les configurations les plus utilisées (Figure 3). Pour une configuration CE, la lumière entraîne la transition de la sortie d'un état haut à un état bas. Pour la configuration CC, la transition des états est inversée.

Figure 3 : Le phototransistor peut être connecté via une configuration à émetteur commun (gauche) ou à un collecteur commun (droite), comme un transistor. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Les phototransistors présentent un autre facteur essentiel à prendre en compte qui ne s'applique pas aux photodiodes : ils peuvent être utilisés en mode actif ou en mode à découpage. En mode actif, le transistor est un élément analogique avec une sortie linéaire proportionnelle à l'intensité de la lumière. En mode à découpage, le transistor agit comme un élément numérique qui se présente à l'état de coupure (désactivé) ou à l'état de saturation (activé).

Le mode de fonctionnement est déterminé par la valeur de la résistance de charge R_L, illustrée par R_c ou R_e dans la Figure 3. Le mode actif survient lorsque V_CC > R_L × I_CC et le mode à découpage survient lorsque V_CC < R_L × I_CC, où I_C est l'intensité maximale prévue et V_CC est la tension d'alimentation, comme illustré. Si le phototransistor est utilisé pour évaluer l'intensité lumineuse, le mode actif est utilisé. S'il est utilisé pour détecter la présence ou l'absence de lumière, comme lorsqu'une carte est insérée dans un connecteur, alors le mode à découpage est utilisé.

Même si les phototransistors et photodiodes sont étroitement liés, leurs performances diffèrent. En général, les photodiodes peuvent être conçues pour être une à deux fois plus rapides, avec une réponse de fréquence plus large que les phototransistors. C'est pourquoi elles sont utilisées pour la détection d'impulsions lumineuses dans les liaisons à fibre optique haute vitesse. Cependant, les photodiodes nécessitent un amplificateur externe, tandis qu'un phototransistor à lui seul peut disposer d'un gain de courant suffisant pour une application.

En outre, les paramètres de performances des photodiodes, notamment la sensibilité à la lumière, le courant de fuite et la vitesse de réponse, varient moins avec les variations de température par rapport aux phototransistors.

Problèmes de conception : bien plus que de l'électronique

Les phototransistors et photodiodes sont par nature stimulés par la lumière. Cela implique bien entendu que la conception doit fournir un chemin optique dégagé pour que la lumière puisse systématiquement atteindre les dispositifs photosensibles. Le chemin doit également être aligné et maintenu de la source jusqu'à la surface de détection lors de l'utilisation normale et de la durée de vie du produit.

Les problèmes mécaniques liés à l'emplacement du phototransistor ou de la photodiode dépendent de l'application, des modes d'utilisation, de l'interaction avec l'utilisateur et de nombreux autres facteurs qui doivent être soigneusement pris en compte lors de la conception du produit. La régularité du chemin optique est essentielle. Il est important de prendre en compte jusqu'aux infimes variations causées par les tolérances de fabrication, la flexion de la carte, la poussière et d'autres utilisations prévues et/ou légèrement anormales.

L'angle d'admission optique à mi-puissance pour les photodiodes et phototransistors typiques varie entre ±10° et ±30° en fonction de la taille de la puce, de la configuration des lentilles et de l'écart. Le choix d'un angle d'admission plus large ou plus étroit dépend de la configuration de l'application.

Parfois, le problème vient de la situation inverse ; les composants photosensibles peuvent détecter la lumière indésirable d'une source ambiante. Dans ce cas, il peut être nécessaire d'ajouter des blindages optiques externes, des obturateurs lumineux internes, des filtres passe-bande à longueur d'onde optique, ou d'encastrer le capteur plus en profondeur tout en veillant à ne pas bloquer la sortie de l'émetteur vers le capteur. Pour cela, il faut bien souvent trouver un « point idéal » ou un point d'équilibre entre les objectifs contradictoires en prenant en compte la combinaison des problèmes électroniques, optiques et mécaniques.

Les paramètres de performances reflètent les aspects électro-optiques et les compromis de conception

Tandis que les spécifications électriques de ces dispositifs sont nombreuses, ils présentent également des facteurs électro-optiques en mode mixte. Parmi eux figurent la réponse spectrale, la sensibilité et le gain, la linéarité, le courant d'obscurité, la vitesse de réponse et le bruit.

Réponse spectrale : la réponse spectrale dépend principalement du matériel de base et du dopage du dispositif. Les dispositifs à base de silicium ont une sensibilité de crête évaluée dans une bande proche infrarouge (IR) à environ 840 nm, mais il existe des dispositifs optimisés pour d'autres longueurs d'onde.

Les phototransistors et photodiodes ont des sensibilités spectrales similaires, car les principes physiques de leurs semi-conducteurs sous-jacents sont les mêmes. Cependant, la réponse de crête d'un phototransistor présente une longueur d'onde légèrement plus courte que celle d'une photodiode typique, car les jonctions par diffusion d'un phototransistor sont conçues de manière épitaxiale au lieu d'utiliser des plaquettes de silicium cristallisées.

Cela signifie que la source lumineuse détectée, que ce soit une LED, la lumière du soleil ou une autre source ambiante, doit fournir une sortie dans la bande de sensibilité correspondante pour que le dispositif photosensible puisse fonctionner efficacement. Heureusement, le spectre de sortie des LED standard figure dans la portée de sensibilité des photocapteurs à base de silicium.

Sensibilité et gain : ces facteurs définissent le niveau de rendement du dispositif dans la conversion de photons en flux de courant. Parfois appelé rendement quantique, cela indique le ratio d'énergie incidente des photons par rapport au flux de courant. Les photodiodes produisent uniquement une petite quantité de courant, allant de quelques nanoampères (nA) à quelques microampères (µA). Le courant est beaucoup plus élevé dans le cas des phototransistors en raison de leur gain inhérent qui est similaire à celui des transistors traditionnels à petits signaux, mais il dépend du circuit de commande de base, de la tension de polarisation et de la température.

Linéarité : la sortie d'une photodiode est linéaire sur une portée étendue, typiquement entre sept et neuf décades d'intensité lumineuse. Par contre, le courant collecteur (I_C) d'un phototransistor est linéaire sur seulement trois à quatre décades, car le gain CC (h_FE) du phototransistor dépend du courant collecteur, qui est déterminé par le circuit de commande de base. Certaines applications de phototransistor comme les solutions d'instrumentation de test et de mesure ont besoin de linéarité, tandis que d'autres modes d'utilisation comme la détection de base de présence/position ne dépendent pas de ce facteur.

La différence repose alors sur les composants à prendre en compte dans la conception. Des exigences de linéarité moindres impliquent plus de possibilités et un coût réduit.

Courant d'obscurité : pour les photodiodes, il s'agit du courant autorisé à circuler même si le dispositif est soumis à des conditions d'obscurité totale. Il dépend également du bruit interne. Pour les phototransistors, le courant d'obscurité représente le courant de fuite de la jonction collecteur-base multiplié par le gain CC du transistor. Il permet de ne pas écarter complètement le phototransistor en tant que commutateur idéal.

Vitesse de réponse : les photodiodes sont plus rapides que les phototransistors, dans la mesure où la vitesse dépend de la capacité de la jonction collecteur-base d'un transistor et de la valeur de la résistance de charge. En revanche, la photodiode nécessite un amplificateur externe pour être fonctionnelle, ce qui affecte sa vitesse de réponse globale. Les temps de montée et de descente (10 % à 90 % et 90 % à 10 %, respectivement) sont généralement symétriques, sauf si le phototransistor est alimenté jusqu'à saturation, ce qui augmente le temps de descente. Il existe dans le commerce des photodiodes avec des réponses en nanosecondes, voire en femtosecondes.

Bruit : la présentation d'un composant électronique ne saurait être complète sans mentionner le problème inévitable du bruit. Les photodiodes et phototransistors présentent de nombreuses formes de bruit : bruit de grenaille, bruit de courant d'obscurité, bruit thermique, bruit de génération-recombinaison et bruit de mesure. Chaque type de bruit résulte de facteurs physiques sous-jacents différents, ainsi que des différentes formulations et conditions de fonctionnement du dispositif (tension, température, charge) qui entraînent une pondération différente de ces sources de bruit. Pour la plupart des applications grand public, le bruit ne constitue pas un facteur majeur. Pour les liaisons de données ultra-haute vitesse et l'instrumentation, cela constitue souvent un problème majeur, en particulier à des niveaux de lumière très faibles.

Les concepteurs doivent clarifier deux problèmes en ce qui concerne ces paramètres de performances. Le premier consiste à déterminer les conditions de test lors de la comparaison des dispositifs proposés par plusieurs fournisseurs. Les performances varient considérablement en fonction des différences de configuration optique, de tensions, de résistances de charge et d'autres facteurs. Il est donc essentiel d'utiliser des conditions comparables. Lors du choix d'un composant spécifique, celui-ci doit être utilisé selon les conditions spécifiées dans la fiche technique. Si cela est impossible, des tests ou interpolations supplémentaires sont nécessaires.

L'autre problème consiste à clarifier les spécifications essentielles dans une application donnée, ainsi que leur degré d'importance. Par exemple, une photodiode destinée à une liaison de communications fibre optique privilégie la vitesse. Sa réponse spectrale est moins critique, car le spectre LED source est connu et peut être adapté au capteur grâce au couplage de sensibilité global intégré dans la conception.

En revanche, un phototransistor utilisé pour détecter la présence d'une carte de crédit dans une fente ne nécessite pas beaucoup de vitesse, mais peut nécessiter un faible courant d'obscurité et un gain uniforme pour pouvoir fonctionner de manière fiable sur une plage étendue de scénarios de fonctionnement réels.

En général, les performances des photodiodes sont largement déterminées par leur matériau, leur dopage et leur boîtier, ainsi que par la taille de la puce du matériau photosensible. Pour les phototransistors, elles dépendent de ces mêmes facteurs, mais aussi du facteur supplémentaire du gain du transistor (Tableau 1).

Tableau 1 : Les performances des photodiodes et phototransistors en fonction de la taille de la puce du matériau photosensible, et l'effet de gain du transistor sur les phototransistors (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les composants permettent la transition opto-électrique

La PD15-21B/TR8 d'Everlight constitue un exemple représentatif de photodiode silicium. Elle a une bande passante à réponse spectrale infrarouge de 730 à 1100 nm avec une crête à 940 nm (Figure 4). Le dispositif en plastique noir à montage en surface cible les produits grand public de base comme les photocopieurs, les consoles de jeu et les lecteurs de cartes. Le courant de sortie maximum de ce dispositif de 1,5 mm × 3,2 mm × 1,1 mm est de 0,8 µA avec une source IR incidente de 875 nm et une puissance de 1 mW/cm². Son temps de réponse est de 6 ns et son courant d'obscurité maximum de 10 nA. En tant que dispositif CMS, cette photodiode fournit plusieurs options de montage par rapport à un dispositif à sorties, mais le profil de température de refusion défini dans la fiche technique ne doit pas être dépassé, même s'il s'agit d'une valeur « modérée » par rapport à celle que les autres composants de la carte peuvent tolérer.

Figure 4 : La sortie spectrale de la photodiode silicium PD15-21B/TR8 d'Everlight s'élève à environ 950 nm (crête), avec une bande passante approximative de 370 nm. (Source de l'image : Everlight)

Les photodiodes seules ne peuvent pas fournir le courant nécessaire dans la plupart des cas, ni générer de charge substantielle. Par conséquent, elles sont presque toujours utilisées avec un amplificateur d'adaptation d'impédance qui convertit leur sortie de bas niveau, haute impédance en une tension utilisable. L'amplificateur d'adaptation d'impédance présente une faible impédance d'entrée au niveau de la photodiode et convertit les petites variations de courant au niveau de l'entrée en variations de tension beaucoup plus élevées au niveau de la sortie.

Précaution de conception : bien que cette topologie semble similaire à l'utilisation d'une résistance de détection du courant pour convertir un courant de charge en tension afin de mesurer le courant, ce n'est pas le cas. Cette configuration présente une commande substantielle à partir d'une source à faible impédance, ce qui constitue une situation très différente.

Par exemple, le LTC6268 d'Analog Devices est un amplificateur opérationnel à entrée FET à un canal avec un courant de polarisation d'entrée extrêmement faible et une capacité d'entrée faible ciblant les applications d'instrumentation (Figure 5).

Figure 5 : L'amplificateur d'adaptation d'impédance LTC6268 d'Analog Devices est optimisé pour les applications d'instrumentation, comme le démontre son niveau de bruit extrêmement faible et son courant de polarisation d'entrée en femtoampères à un seul chiffre. (Source de l'image : Analog Devices)

Son faible courant de polarisation évalué à 3 fA (typique) à température ambiante et à 4 pA (maximum) à 125°C est requis pour s'assurer que l'amplificateur d'adaptation d'impédance ne « charge » pas la sortie de la photodiode et ne détourne pas son courant très réduit. Son courant de bruit, qui affecte la précision d'entrée, s'élève à seulement 5,5 fA/√Hz, jusqu'à 100 kHz. Les spécifications dynamiques incluent un produit gain-bande passante de 500 MHz et une bande passante de -3 dB à un gain unité de 350 MHz. Le réseau RC de rétroaction de réglage du gain requiert une certaine capacité pour la stabilité et la formation des boucles en plus de la résistance discrète, mais dans la plupart des cas, la capacité parasite d'une carte à circuit imprimé est adaptée, ce qui permet de gagner de la place et de supprimer un composant de la nomenclature.

D'autres amplificateurs d'adaptation d'impédance sont optimisés pour les liaisons de données optiques plutôt que pour l'instrumentation. Le MAX3658 de Maxim Integrated est un amplificateur d'adaptation d'impédance destiné aux récepteurs optiques fonctionnant jusqu'à 622 Mbps, avec des fonctionnalités adaptées aux émetteurs-récepteurs compacts et fibre (Figure 6). Contrairement à un amplificateur d'adaptation d'impédance de mesure, ce dispositif est conçu pour commander des lignes coaxiales différentielles de 75 Ω pour maintenir l'intégrité du signal, réduire l'interférence intersymbole et réduire le taux d'erreur sur les bits (TEB).

Figure 6 : Ciblant les liaisons fibre optique avec un débit jusqu'à 622 Mbps, la sortie de l'amplificateur d'adaptation d'impédance MAX3658 de Maxim Integrated est conçue pour commander une paire équilibrée de câbles coaxiaux de 75 Ω afin de maintenir l'intégrité du signal. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Comme pour d'autres amplificateurs opérationnels, qu'il s'agisse de types conventionnels ou d'amplificateurs d'adaptation d'impédance, la fiche technique du MAX3658 inclut de nombreux graphiques de performances illustrant différentes perspectives de courant, de tension, de vitesse, de température, etc. Cependant, comme cet amplificateur d'adaptation d'impédance est conçu pour les liaisons optiques de 622 Mbps et est conforme aux normes d'application de l'industrie, sa fiche technique inclut également des diagrammes de l'œil essentiels qui caractérisent les performances à des conditions de fonctionnement différentes (Figure 7).

Figure 7 : Les diagrammes de l'œil sont des facteurs de mérite standard utilisés pour analyser les liaisons de communication de données pour différents niveaux de puissance d'entrée optique. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Pour les applications nécessitant un phototransistor doté d'un gain inhérent, le dispositif silicium NPN APTD3216P3C-P22 de Kingbright constitue une option possible (Figure 8). Tout comme la photodiode précédente, il mesure 3,2 mm × 1,6 mm. Étant donné que l'ouverture pour la capture de lumière est un facteur critique pour les performances du dispositif, « plus petit » ne signifie pas « meilleur » dans les composants de capture de photons.

Figure 8 : Le phototransistor APTD3216P3C-P22 de Kingbright est doté d'un plus grand boîtier que les transistors traditionnels afin de mieux capturer la lumière incidente et de fournir une meilleure sensibilité. (Source de l'image : Kingbright)

Ce dispositif est également adapté au spectre d'une source LED infrarouge et est doté d'une sensibilité angulaire d'environ ±15° (Figure 9).

Figure 9 : Pour les dispositifs comme les phototransistors, il est essentiel de prendre en compte la sensibilité en fonction de la longueur d'onde et de l'angle par rapport à l'axe. (Source de l'image : Kingbright)

Comme il s'agit également d'un transistor, la plupart de ses spécifications de performances sont sensibles à la température. Par exemple, le courant d'obscurité de 1 nA à 25°C augmente à environ 100 nA à 70°C (Figure 10). Cet écart doit être pris en compte dans l'analyse de la conception du produit.

Figure 10 : En tant que transistor, de nombreuses spécifications de l'APTD3216P3C-P22 de Kingbright dépendent de la température. Ici, le courant d'obscurité passe de 1 nA à 100 nA lorsque la température passe de 25°C à 70°C. (Source de l'image : Kingbright)

Conclusion

Les composants optiques comme les photodiodes et les phototransistors sont utilisés pour la détection de présence et l'instrumentation hautes performances. Ils sont également essentiels dans les liaisons de données optiques. En raison de leur nature électro-optique hybride, ils nécessitent généralement une prise en compte minutieuse des problèmes liés à la conception électrique, optique et mécanique, et des composants spécialisés d'interface électronique pour pouvoir être efficaces et atteindre leur plein potentiel.

Si ces considérations de conception sont comprises et suivies, il existe une variété de dispositifs appropriés qui peuvent être utilisés comme solutions pour les applications de détection, d'instrumentation et de liaison optique.