ELE004 2007-2008 Conservatoire National des Arts et Metiers

ELE004 2007-2008
Conservatoire National des Arts et Metiers
TD 8
***exercice traité en classe
Le phénomène photoconductif, le seuil de photoconductivité. Effet de la température sur un
photoconducteur extrinsèque. Etude de la photodiode, expression du courant, caractéristique.
Photodiode utilisée en récepteur ou en générateur. Charge adaptée. Application aux cellules
solaires. La diode électroluminescente. Les hétérojonctions à S.C ternaires. La diode laser.
exercice 8.1
On rappelle la valeur des constantes universelles suivantes : h = 6,63.10
-34
J.s, c = 3.10
8
m.s
-1
,
e = 1,6.10
-19
C, k = 1,38.10
-23
J.K
-1
.
1. Rappeler la relation liant la longueur d’onde à la hauteur de la bande interdite dans une
photodiode.
2. Quel est l’intérêt de réaliser un composé ternaire à base de Ga, As, Al en ce qui concerne la
réalisation de photodiode ?
3. On désire réaliser une photodiode à partir de Al
x
Ga
1-x
As dont la longueur d’onde soit
égale à 0,780 µm. Calculer la proportion x d’atomes d’aluminium sachant que la hauteur
de la bande interdite est donnée par : Eg(Al
x
Ga
1-x
As) = 1,425 + 1,155.x + 0,37.x
2
(en
e.V).
exercice 8.2
On donne la caractéristique suivante d’une photodiode éclairée :

ELE004 2007-2008
Conservatoire National des Arts et Metiers
1. Quel est le schéma électrique équivalent à la photodiode lorsqu’elle est polarisée en A ? en
B ?
2. Quelle est l’utilisation de la diode en A ? en B ?
exercice 8.3
Le dispositif suivant sert à mesurer la sensibilité d’une photodiode. La sensibilité S est le
rapport entre le courant traversant la photodiode éclairée et la puissance lumineuse reçue par
la photodiode. On rappelle qu’à 300 K, I I e e
s
V
V
T
= −
−1
P . et VT = 0,025 V.
Photodiode
Fibre optique
E
1
E
0
P
in
P
0
ALED
1. Sur la figure précédente, dessiner le branchement correct des générateurs E0 et E1 (E0 et E1
sont positif).
2. Préciser le sens des courants réels dans les deux diodes.
3. On a relevé expérimentalement les courbes du courant I traversant la photodiode en
fonction de E1 pour différentes puissances lumineuses Pin.

ELE004 2007-2008
Conservatoire National des Arts et Metiers
La relation I = f(Pin) est-elle linéaire ? En déduire la sensibilité que l’on exprimera en mA
/ mW.
4. La photodiode présente un courant d’obscurité de 5 nA. Déterminer le courant de court-
circuit et le potentiel photovoltaïque de cette diode lorsque la puissance lumineuse reçue
est de 1 mW.
***exercice 8.4
On se propose d’étudier le système donné par le schéma avec les éléments suivants : R1 = 10
kΩ, R2 = 140 kΩ, E = 15 V.
E
E
C
Photodiode
D
1
R
1
R
2
C
1. Rappeler la définition du seuil de photoconductivité d’une photodiode.
2. On considère différents semi-conducteurs dont on rappelle les hauteurs de bandes
interdites exprimées en e.V :
Ge GaInAs Si AsGa GaP
0,67 0,75 1,11 1,4 2,26
Quel(s) seraient les matériaux appropriés pour réaliser une photodiode devant détecter une
radiation lumineuse de longueur d’onde égale à 1,55 µm (h = 6,63.10-34 J.s) ?
3. Le constructeur donne les caractéristiques suivantes pour la diode NDL5407P : courant
d’obscurité = (typique 0,1 nA, maximum 5 nA), rendement quantique = (typique 80 %,
minimum 65 %) et sensibilité S minimum mesurée pour une longueur d’onde de 1,55 µm =

ELE004 2007-2008
Conservatoire National des Arts et Metiers
0,68 A/W (S typique = 0,94 A / W). Quelles seraient, avec une puissance reçue de 20 µW,
les valeurs du potentiel photovoltaïque typique et minimal à 300 K (on rappelle que
I I e e
s
V
V
T
= −
−1
P . ) ?
4. Quel doit être le branchement de la photodiode afin que celle-ci soit utilisée en capteur de
lumière ? Dessiner le schéma symbolique de la diode sur le schéma du montage.
5. La diode étant ainsi polarisée, quelle serait la puissance lumineuse minimale à détecter si
l’on se fixe un rapport minimal de 10 entre le courant d’éclairement et le courant
d’obscurité ?
6. Quel est le schéma équivalent de cette photodiode éclairée ? Donner la valeur de cet
élément si la puissance reçue est de 20 µW.
exercice 8.5
On s’intéresse au premier étage d’un amplificateur à photodiode dont le schéma est le
suivant :
Photodiode
E = 15 V
VsortieU
E
C
R
1
= 10 kΩ
R
2
= 140 kΩ
C
2
I
C
1
1. Dessiner le schéma incluant la photodiode.
2. Redessiner le schéma utile pour la polarisation. Déterminer l’expression de la droite de
charge et la tracer sur le réseau de caractéristiques suivant. Préciser les coordonnées du
point de repos pour un éclairement Ec égal à 400 lux.

ELE004 2007-2008
Conservatoire National des Arts et Metiers
3. Un dispositif extérieur permet de faire varier sinusoïdalement l’éclairement reçu par la
photodiode autour du point de repos défini précédemment Ec(t) = Ec + ec(t). L’amplitude
des variations sera suffisamment faible pour que le fonctionnement reste dans la partie
linéaire des caractéristiques. Pour ce régime de fonctionnement et compte tenu des
orientations choisies, la photodiode peut être décrite par la relation : i = b.ec + g.u avec b =
0,15 µA / lux et g = 0,33 µA / V. Justifier, à l’aide de la caractéristique, ces deux valeurs.
4. Donner le modèle équivalent en petits signaux de la photodiode et comparer ce modèle au
modèle théorique.
5. Dessiner le schéma équivalent du montage en petits signaux, les condensateurs présentant
une impédance très faible devant les autres éléments du montage. Donner le schéma
équivalent de Thévenin en sortie. En déduire la tension de sortie si Ec = 400 + 20.sin(ω.t).
exercice 8.6
On se propose de réaliser un photocoupleur à infra rouge utilisant à l’émission une diode LED
à AsGa, à la réception une photodiode à AsGa ainsi qu’un transistor au silicium. La
transmission de l’information lumineuse est effectuée au moyen d’une fibre optique et de
deux systèmes de focalisation. Le relais est assimilable à une résistance de 2 kΩ, son courant
minimal de fermeture est de 2,5 mA. Ce courant de fermeture est obtenu lorsque le courant IB
atteint la valeur de 25 µA. Dans ces conditions, le potentiel aux bornes de R est de 5,7 V.