Optoélectronique

Optoélectronique
1 Aspect historique
Le phénomène phoélectrique fut découvert dans les années 1870.
Observé par Hertz en 1887, ces premières hypothèses furent reformulées par Planck en 1900.
La première explication théorique fut proposée par Einstein en 1905. Millikan en fit la
vérification expérimentale en 1916
2 Dispositifs
Les différents types de composants sont :
 Les photodétecteurs comprennent :
 Les cellules photoémissives (phototubes ou photomultiplicateurs)
 Les cellules photovoltaïques(photopiles)
 Les cellules photoconductrices
 Les photoémetteurs
 Les photocoupleurs ( non étudiés )
1. Quelques notions sur la physique des semi-conducteurs
2. Les photodétecteurs
Les photodétecteurs captent les radiations lumineuses, visibles ou invisibles, et les
transforment en signaux ou en énergie électrique
2.1
Les photoconducteurs
La photoconduction est la variation de la conductivité électrique des semi-conducteurs soumis
à des radiations lumineuses.
2.1.1 Photorésistance
Une photorésistance est une résistance constituée d’un matériau semi-conducteur, dont la
valeur dépend de l’éclairement.. La résistance électrique est élevée lorsque ces semiconducteurs ne sont pas éclairés. Les principales caractéristiques d’une photorésistance sont :
 La sensibilité
 La réponse spectrale
 Le temps de réponse
La sensibilité est déterminée, pour une tension donnée par le quotient suivant :
Courant traversant la résistance
Flux lumineux éclairant la photorésis tance
Les photorésistances possèdent une sensibilité variable suivant les longueurs d’onde. Il est
possible de modifier la caractéristique spectrale suivant les impuretés injectées dans le semiconducteur.
Le temps de réponse dépend du matériau semi-conducteur. Les photorésistances sont
généralement utilisées pour des fréquences de modulation de la lumière inférieure à 1kHz.
On tiendra compte pour le choix de la résistance de la puissance maximale acceptable (
prévoir le choix d’un dissipateur thermique).
Application à l’utilisation de photorésistance : cf. fig. de commande de l’éclairage
automatique des rues
2.1.2 Photodiode à jonction PN
Selon les performances recherchées, on choisira soit un mode de fonctionnement
photoconducteur avec source d’alimentation, soit un mode voltaïque sans source
d’alimentation.
Les caractéristiques du mode photoconducteur sont :
 la linéarité
 un temps de réponse court
 une bande passante étendue
Applications nombreuses :
 Commande de la mise en marche d’un mécanisme d’ouverture de porte
 Mesure de photométrie
2.1.3 Phototransistors
L’élément semi-conducteur constituant la base du transistor peut être éclairé. Le boîtier du
phototransistor est muni d’une ouverture formée par une petite lentille qui permet de
concentrer les radiations lumineuses sur la jonction collecteur base. Cette jonction se
comporte comme une photodiode dont le courant est amplifié par effet transistor entre la base
et l’émetteur.
Les principales caractéristiques optiques et électriques des phototransistors sont :
le courant de collecteur IC pour différentes valeurs d’éclairement
le courant d’obscurité pour une tension VCE et un éclairement énergétique nul
la réponse spectrale ( fonctionnement plutôt observé dans les IR)
la réponse angulaire suivant l’angle d’incidence entre la source et l’axe optique du
photoconducteur
le temps de réponse
Le phototransistor a une sensibilité de 100 à 200 fois plus élevée que pour une photodiode,
fournit un courant de collecteur de l’ordre des milliampères et est plus lent qu’une photodiode
2.2
Cellules photovoltaïques
Une cellule photovoltaïque résulte de la jonction de deux semi-conducteurs. La cellule
photovoltaïque ne requiert aucune source auxiliaire, car elle crée une force électromotrice à
partir de l’énergie des radiations lumineuses qui éclaire la jonction.
Caractéristiques
Tension de sortie
Courant de court-circuit
Sensibilité lumineuse
Réponse spectrale
Rendement de la conversion d’énergie
Vitesse de la réponse
3 Les Photoémetteurs
Les photoémetteurs sont des dispositifs à semi-conducteurs qui convertissent l’énergie
électrique en des radiations lumineuses visibles, IR ou UV ou en des radiations
monochromatiques cohérentes.
L’électroluminescence est le phénomène à la base du fonctionnement des photoémetteurs. Il
s ‘agit de l’émission de lumière ( photons) qui provient de la recombinaison des porteurs de
charge autour d’une jonction PN ou d’un contact métal semi-conducteur.
3.1
Diodes électroluminescentes (radiations émises visibles
à l’œil nu)
Lorsqu’une LED est polarisée en sens direct, des électrons sont injectés dans la région N et
des trous dans la région P. Lors de la recombinaison des charges des porteurs, on observe
l’émission de photons.
Principales caractéristiques des DEL
Intensité lumineuse moyenne (décroissance de l’intensité lumineuse avec chute de
température)
Réponse spectrale
Intensité lumineuse relative
Temps de commutation de l’ordre de la nanoseconde
On tiendra compte aussi de la couleur et de la dimension de la capsule, de la nature de la
source de l’angle de vue, de la luminance et l’intensité lumineuse, la consommation du
courant d’alimentation et le prix
3.2
Diodes à infrarouge ( radiations IR invisibles à l’œil nu)
Même principe de fonctionnement
4 Les exercices