Physique des solides

LEYBOLD
Fiches d’expériences
de physique
Physique des solides
Phénomènes de conduction
Photoconduction
P7.2.3.1
Relevé des
caractéristiques courant-tension
d’une photorésistance
au sulfure de cadmium
Objectifs expérimentaux
Mesure du courant photoélectrique IPh en fonction de la tension U pour une intensité de rayonnement ⌽ constante.
Mesure du courant photoélectrique IPh en fonction de l’intensité de rayonnement ⌽ pour une tension U constante.
Notions de base
Les résistances semi-conductrices photosensibles (photorésistances) se basent sur ce principe. Elles ont conquit un vaste
domaine d’applications et sont utilisées entre autres dans les
interrupteurs crépusculaires et les posemètres. Les composés
au cadmium – notamment le sulfure de cadmium – sont employés comme matériaux semi-conducteurs.
On appelle photoconduction l’augmentation de la conductivité
électrique ␴ dans un solide par absorption de lumière. Dans le
cas dudit effet photoélectrique interne, l’énergie absorbée
permet le passage d’électrons activateurs dans la bande de
conduction et l’échange de charge de pièges avec formation
de trous dans la bande de valence. Le nombre de porteurs de
charges dans le réseau cristallin est donc accrû et par conséquent aussi la conductivité:
⌬␴ = ⌬p ⋅ e ⋅ ␮p + ⌬n ⋅ e ⋅ ␮n
e: charge élémentaire
⌬p: changement de la concentration de trous
⌬n: changement de la concentration d’électrons
␮p: mobilité des trous
␮n: mobilité des électrons
Dans l’expérience, une photorésistance au CdS est éclairée
avec une ampoule incandescente, l’intensité de rayonnement
⌽ étant modifiée à l’endroit de la photorésistance à l’aide de
deux filtres polarisants situés l’un derrière l’autre. Si les deux
filtres polarisants sont tournés l’un par rapport à l’autre de
l’angle ␣, on a
(I)
⌽ = ⌽0 ⋅ D ⋅ cos2␣
⌽0: intensité de rayonnement sans filtres polarisants,
D: perméabilité pour un positionnement en parallèle
Le courant photoélectrique
A
⋅ ⌬␴ ⋅ U
d
A: section transversale de la voie du courant
d: écartement des électrodes
IPh =
(III)
On étudie la subordination du courant photoélectrique à la
tension appliquée à la photorésistance pour une intensité de
rayonnement constante (caractéristique courant-tension) et à
l’intensité de rayonnement pour une tension constante (caractéristique courant-intensité de rayonnement).
(II)
0209-Wit
circule à l’application d’une tension U.
Modèle de photoconducteur idéal: Des paires électron-trou sont
générées dans tout le cristal par la source de lumière externe et se
recombinent entre elles. Les électrons qui quittent le cristal à
l’électrode (+) sont remplacés par de nouveaux électrons qui entrent
à l’électrode (-).
1
P7.2.3.1
LEYBOLD Fiches d’expériences de physique
Montage
Le montage expérimental est représenté sur la fig. 1; comme
point de référence, la position du bord gauche des cavaliers
sur le banc d’optique est indiquée en cm. Les tiges des
éléments d’optique ne devraient pas être complètement enfoncées dans les cavaliers pour ainsi permettre un ajustage de
précision en hauteur et un alignement des éléments sur un
même axe optique.
Matériel
1 photorésistance LDR 05 STE . . . . . . .
578 02
1 support pour élément enfichable
1 fente réglable . . . . . . . . . .
1 paire de filtres polarisants . . .
1 lentille f = + 150 mm . . . . . .
460 21
460 14
472 40
460 08
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
6 cavaliers, H = 90 mm/l = 50 mm . . . . .
1 banc d’optique à profil normalisé, 1 m . .
460 352
460 32
1 carter de lampe . . . . . . . . . . . . . .
1 ampoule, 6 V/30 W . . . . . . . . . . . .
1 condenseur asphérique . . . . . . . . . .
450 60
450 51
460 20
1 alimentation CC 0 … 20 V . . . . . . . .
1 transformateur 6/12 V⬃ . . . . . . . . . .
521 54
562 73
1 multimètre numérique/analogique
METRAHit 14 S . . . . . . . . . . . . . .
1 multimètre numérique/analogique
METRAHit 18 S . . . . . . . . . . . . . .
– Monter les cavaliers sur le banc d’optique.
– Enficher la photorésistance sur le support pour éléments
enfichables et la fixer sur le cavalier droit.
– Fixer la lampe avec condenseur asphérique dans le cavalier
gauche et la brancher à la sortie 6 V du transformateur.
– Centrer la lampe avec les vis moletées et en déplaçant le
–
531 28
531 30
–
–
–
–
–
–
tube de l’ampoule, procéder à un réglage tel que lorsque
le filament de l’ampoule est à la verticale, il se forme un
faisceau lumineux uniforme qui éclaire la photorésistance.
Insérer la lentille dans le montage – avec le côté convexe
tourné vers l’ampoule – et focaliser le rayon lumineux sur
la photorésistance en orientant la lentille et en déplaçant le
cavalier optique.
Monter les deux filtres polarisants et la fente réglable, régler
un angle ␣ = 0⬚ entre les filtres polarisants, ouvrir la fente
réglable sur env. 0,2 mm.
Vérifier le niveau d’éclairement de la photorésistance et si
nécessaire, procéder à un réajustage.
Fermer complètement la fente réglable.
Brancher l’alimentation CC, brancher en parallèle le multimètre numérique/analogique METRAHit 14 S pour la mesure de la tension (calibre V=) et brancher en série le
multimètre numérique/analogique METRAHit 18 S pour la
mesure du courant photoélectrique IPh (calibre mA=).
Régler une tension U = 20 V.
Ouvrir légèrement la fente réglable jusqu’à ce qu’un courant maximal I = 9 mA circule à travers la photorésistance
puis ne plus modifier la largeur de la fente.
N.B.:
La photorésistance est détruite en cas de surcharge:
ne pas dépasser la puissance dissipée maximale P = 0,2 W,
donc par ex. I = 10 mA pour U = 20 V.
La photorésistance est aussi influencée par la faible luminosité
résiduelle qui règne dans la salle d’expérimentation:
assombrir la salle d’expérimentation de telle sorte qu’il soit
juste possible de lire les instruments de mesure et veiller à ce
que la luminosité soit constante.
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P7.2.3.1
LEYBOLD Fiches d’expériences de physique
Exemple de mesure
Fig. 1 Montage expérimental pour le relevé de caractéristiques
courant-tension d’une photorésistance au CdS.
a
Lampe
b
fente réglable
c, d filtres polarisants
e
lentille, f = + 150 mm
f
support avec photorésistance STE
Largeur de la fente: 0,1 mm
a) Mesure du courant photoélectrique IPh en fonction de
la tension U pour une intensité de rayonnement ⌽
constante:
I0 (U = 20 V) = 0,29 mA
Tab. 1: Courant photoélectrique IPh
Réalisation
N.B.:
Lors du changement d’éclairage et du passage du clair au
sombre et inversement, la photorésistance a besoin d’un certain temps d’inertie pour le réglage sur la nouvelle valeur de
résistance.
Avant de relever les valeurs mesurées, attendre qu’un état
stationnaire se soit établi.
a) Mesure du courant photoélectrique IPh en fonction de
la tension U pour une intensité de rayonnement ⌽
constante:
– Interrompre la marche des rayons entre la lampe et la
–
–
IPh
(30⬚)
mA
IPh
(60⬚)
mA
IPh
(90⬚)
mA
20
9,80
8,12
4,41
1,39
18
8,90
7,33
3,93
1,24
16
7,96
6,53
3,49
1,09
14
7,04
5,78
3,07
0,96
12
6,05
4,98
2,61
0,82
10
5,08
4,18
2,19
0,68
8
4,13
3,34
1,76
0,55
6
3,06
2,46
1,31
0,41
4
2,00
1,66
0,87
0,27
2
1,02
0,83
0,45
0,14
I0 (U = 20 V) = 0,17 mA
Tab. 2: Courant photoélectrique IPh en fonction de l’angle ␣
entre les filtres polarisants pour différentes valeurs de la tension U
– Régler une tension U = 20 V, interrompre la marche des
–
IPh
(0⬚)
mA
b) Mesure du courant photoélectrique IPh en fonction de
l’intensité de rayonnement ⌽e pour une tension U
constante:
photorésistance et déterminer le courant photoélectrique
I0 suscité par la luminosité résiduelle.
Réduire la tension U de 20 V à 0 V par pas de 2 V, mesurer
à chaque fois le courant photoélectrique IPh et le noter.
Recommencer les séries de mesures avec ␣ = 30⬚, 60⬚ et
90⬚.
b) Mesure du courant photoélectrique IPh en fonction de
l’intensité de rayonnement ⌽ pour une tension U
constante:
–
U
V
rayons entre la lampe et la photorésistance et déterminer
à nouveau le courant photoélectrique I0 suscité par la
luminosité résiduelle.
Pour la variation de l’intensité de rayonnement ⌽, augmenter l’angle ␣ entre les filtres polarisants par pas de 10⬚ de
0⬚ à 90⬚, mesurer à chaque fois le courant photoélectrique
IPh et le noter.
Répéter la série de mesures avec U = 10 V et U = 1 V.
3
␣
IPh
(20 V)
mA
IPh
(10 V)
mA
IPh
(1 V)
mA
0⬚
9,56
5,05
0,501
10⬚
9,27
4,93
0,489
20⬚
8,73
4,62
0,458
30⬚
7,83
4,16
0,415
40⬚
6,77
3,58
0,358
50⬚
5,45
2,89
0,289
60⬚
4,29
2,19
0,222
70⬚
2,84
1,51
0,155
80⬚
1,84
0,95
0,099
90⬚
1,28
0,67
0,071
P7.2.3.1
LEYBOLD Fiches d’expériences de physique
Exploitation
a) Mesure du courant photoélectrique IPh en fonction de
la tension U pour une intensité de rayonnement ⌽
constante:
La fig. 2 montre le rapport entre le courant photoélectrique IPh
et la tension U appliquée pour une intensité de rayonnement
constante (angle ␣ constant entre les filtres polarisants), soit
les caractéristiques courant-tension. Il s’avère qu’un courant
photoélectrique circule aussi pour un angle ␣ = 90⬚ entre les
filtres polarisants étant donné que les filtres polarisants positionnés en croix n’assurent pas une suppression totale.
10
La fig. 3 montre le rapport entre le courant photoélectrique IPh
et l’intensité de rayonnement pour une tension constante, soit
les caractéristiques courant-intensité de rayonnement. Le
membre cos2␣ (␣: angle entre les filtres polarisants) sert de
mesure relative de l’intensité de rayonnement, conformément
à (lll).
Comme prévu, le courant photoélectrique augmente au fur et
à mesure que l’intensité de rayonnement augmente. Par
contre, les caractéristiques ne sont pas parfaitement linéaires.
La pente a plutôt tendance à faiblir au fur et à mesure que
l’intensité de rayonnement augmente.
30o
5
60o
90o
0
Les points de mesure sont à chaque fois sur une droite passant
par l’origine, conformément à l’équation (II). Leur pente dépend
de l’intensité de rayonnement.
b) Mesure du courant photoélectrique IPh en fonction de
l’intensité de rayonnement ⌽e pour une tension
constante U:
0o
IPh
mA
0
5
10
15
20
U
V
Fig. 2 Caractéristiques courant-tension de la photorésistance au
CdS.
Fig. 3 Caractéristiques courant-intensité de rayonnement de la résistance au CdS.
IPh
mA
10
20 V
8
6
10 V
4
2
1V
Résultat
La photorésistance au CdS se comporte comme une résistance ohmique qui dépend de l’intensité de rayonnement.
0
0,0
0,5
1,0
cos2α
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