Les photorécepteurs
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A. Objectifs de la séquence: à l'issue de la séquence, il faut être capable de: •Comprendre le principe de fonctionnement des détecteurs (photodiode, phototransistor). •Savoir retrouver les caractéristiques d’un photodétecteur à travers une documentation constructeur. •Calculer les éléments d’un convertisseur courant-tension. B.) La photodiode. Photons Type N + + Type P + + - - - Porteur de charge mobile - Electron Trou + + + + + + Si Dopé (au phosphore) + + E - - - - - - - - Charges statiques - Atome accepteur ionisé + Atome donneur ionisé Si dopé (au bore) Un photon incident est absorbé. Il libère un électron d’une liaison de valence et s'élève au niveau de la bande de conduction. Le photon crée une paire électrontrou Bande de conduction hv Bande de Valence photon C'est la photo conductivité. avant + + après Lorsque la lumière arrive sur la jonction elle génère un courant électrique. •Le choix de l'élément de dopage détermine la zone de sensibilité dans le spectre •Dans l'obscurité, IR = IO (courant d'obscurité) •C’est toujours le courant inverse qui est proportionnel à l’éclairement !!! B-1) Caractéristiques 1) Courant d'obscurité: •Ce courant dépend de VR et de la température IO de l'ordre de 1nA •Exemple pour une photodiode de type BPX61P à 25° C VR=3V VR=70V IO = 0.15nA IO = 2,5nA 2) Sensibilité Le constructeur d'une photodiode donne une courbe de réponse de l'élément en fonction de la longueur d'onde de la lumière reçue. On exprime la sensibilité S du détecteur pour une longueur d'onde déterminée de la radiation incidente, en ampère par watt. EXEMPLE: dI S 70A / ( mW / cm2 ) d Pour une aire sensible de 0,0675cm² Déterminer alors la sensibilité S en A/W : S= 1,037 A/W 3) Sensibilité spectrale: dI S d ( ) La sensibilité spectrale est habituellement donnée par un graphique en ampère par watt en fonction de la longueur d'onde λ (A/W). Suivant le cas, les constructeurs indiquent la réponse spectrale absolue ou la réponse relative normé en pourcentage de son pic maximum. 4) Détectivité C'est la possibilité plus ou moins grande qu'offrent les diodes pour déceler des rayonnements de faibles intensités. D=1/PEB avec PEB puissance équivalente au bruit.(puissance nécessaire pour produire un signal égal au bruit du détecteur).la tension ou le courant de bruit est proportionnel à la racine carrée de la largeur de bande du récepteur. D:unité W-1.Hz-1/2 5) Directivité Les constructeurs donnent une courbe de directivité du capteur en 0° fonction de l’angle de réception de la lumière. 30° 30° 100 0 100 S(%) 6) Modèle équivalent La capacité Cj oscille autour de 100 pF pour les faibles polarisations à quelques dizaines de pF pour les polarisations élevées. La résistance Rsh est comprise entre 100 et 1 GΩ selon la qualité de la photodiode. Résistance série Rs : cette résistance est essentiellement due à la résistance du substrat et la résistance des contacts. Rs peut varier entre 10 et 500 Ω selon la surface de la photodiode. 7) Vitesse de réponse: Vco Icc Si rapide soient_ils, les photorécepteurs , comme tout objet physique , ont une certaine inertie. Le temps de réponse dépend de la capacité parasite Passer de l’espace des temps à celui des fréquences s’effectue facilement par la relation tr=(0.35/fo) Une tension inverse élevée élargit la zone désertée et de ce fait abaisse la capacité de la jonction. Plus la capacité de la jonction sera faible, plus court sera le temps de commutation. De très faible capacités de jonction sont obtenus avec une structure PIN. 8) Photodiode PIN L'introduction d'une couche intrinsèque I non dopée , près de la couche P (rendue très mince maintenant) collectant la lumière à plusieurs avantages. Elle accroît la vitesse de réponse en diminuant le temps de ramassage des porteurs créés par les photons ; Elle réduit la capacité Cj de la jonction; elle réduit le courant de fuite et le bruit ; elle améliore la linéarité du dispositif. B-2) Mode de fonctionnement 1) Mode photoconducteur On obtient grâce à ce mode de fonctionnement une grande linéarité. VCC R VCC - VR VR=VCC=cst VS Vs=R.IR IR + Vs=-R.IR REMARQUES: Si Vr grand : temps de réponse court , bruit de fond élevé , courant d'obscurité élevé Si Vr faible temps de commutation long courant de bruit faible courant d'obscurité faible. 2) Mode photovoltaïque Lorsque le détecteur est en circuit ouvert , une tension est développée à ses bornes, l'extrémité P devenant positive par rapport à celle de type N : C'est l'utilisation en photopile. 0.5V 0 0.02 V c0(V ) 0.5 1.0 0.1 1.4 E(kW /m²) I0(A) T=20°C C) Phototransistor Vcc IC E1 IB C-1) Principe Un phototransistor est un composant qui possède la même structure qu'un transistor bipolaire classique , mais dont la jonction collecteur - base peut être éclairée par un rayonnement lumineux;Le phototransistor peut-être utilisé soit de manière classique (base polarisée) , soit base en l'air qui est l'application la plus fréquente.. Le comportement dynamique du phototransistor est moins bon que celui de la photodiode à cause du mécanisme d'amplification. La jonction B-C est une photodiode. On bénéficie ainsi du coefficient d'amplification propre au transistor Ic Ie C-2) Caractéristiques 1) Sensibilité Sensibilité x100 par rapport à la photodiode. Les photodarlington se caractérisent par une sensibilité très élevée. 2) Amplification L'amplification en courant du phototransistor varie normalement de 100 à 1000.Il varie avec l'éclairement. Les constructeurs donnent des courbes représentant IC(L)en fonction de VCE pour un éclairement défini (E) et ceci pour différents éclairements. 3) Temps de commutation temps de commutation très long ( due à l'amplification et aux capacités parasites) ils sont de l'ordre de 1 à 30μs sur charge résistive de 1K Ton et Toff dépendent de RL (résistance de charge). C-3) Utilisation Les phototransistors sont utilisés comme détecteurs photoélectriques dans les systèmes de commande et de régulation.(codeur optiques) D) EXERCICES 5V R=1M BPX 61 + Vs La puissance lumineuse sur le détecteur est 0.1μW à 800 nm que vaut VS? Que vaut la tension de sortie VS dans l’obscurité ?
