Détection de rayonnements optiques

Généralités Caractéristiques Photodiodes Bibliographie
Chapitre VIII
Détection de rayonnements optiques
Ludovic Grossard
Département Mesures Physiques, IUT du Limousin
Université de Limoges
Chapitre VIII
Détection de rayonnements optiques
Généralités Caractéristiques Photodiodes Bibliographie
1
Généralités
2
Caractéristiques des détecteurs
3
Les photodiodes
4
Bibliographie
Chapitre VIII
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Généralités Caractéristiques Photodiodes Bibliographie
1
Généralités
2
Caractéristiques des détecteurs
3
Les photodiodes
4
Bibliographie
Chapitre VIII
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Généralités Caractéristiques Photodiodes Bibliographie
I. Généralités
Capteur
Dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une
grandeur utilisable
En général, conversion de l'énergie optique en une grandeur
électrique.
le ux détecté correspond alors à la moyenne quadratique du champ
électrique :
Z
1
→
− 2
→
−
Φ ∝ hk E k iτ =
k E k2 dt
(8.1)
τ τ
avec τ le temps de réponse du détecteur
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Généralités Caractéristiques Photodiodes Bibliographie
1
Généralités
2
Caractéristiques des détecteurs
3
Les photodiodes
4
Bibliographie
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II. Caractéristiques des détecteurs
1) Ecacité quantique
Ecacité quantique η
Rapport entre le nombre d'électrons arrachés par le rayonnement et le
nombre de photons qui atteint le détecteur pendant la même durée.
η < 1 et variable en fonction de λ
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II. Caractéristiques des détecteurs
2) Courant d'obscurité
Courant d'obscurité
Courant permanent délivré par le dispositif photosensible placé dans l'obscurité
origine interne (l'agitation thermique libère les porteurs de charge).
origine externe (rayonnement thermique environnant).
→ refroidissement des détecteurs IR
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II. Caractéristiques des détecteurs
3) Sensibilité
Sensibilité α
Rapport entre la variation de la grandeur de sortie ∆I , par la variation du
mesurande ∆Φ
α=
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∆I
∆φ
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II. Caractéristiques des détecteurs
3) Sensibilité
généralement exprimée en A/W
dénie dans la plage où la caractéristique de transfert est linéaire
I
∆I
α=
∆I
∆Φ
Φ
∆Φ
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II. Caractéristiques des détecteurs
3) Sensibilité
courbe de réponse spectrale
Variation de la sensibilité en fonction de la longueur d'onde
α(λ)
αm
λ
λm
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λseuil
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II. Caractéristiques des détecteurs
4) Constante de temps
Si le ux lumineux subit une évolution soudaine, le courant
électrique s'établira avec un certain délai.
I (t ) = I
max
(1 − exp(−t /τ ))
( )
I t
imax
1
imax
− ( /e ) · Imax
t
τ
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II. Caractéristiques des détecteurs
4) Constante de temps
Constante de temps
Durée nécessaire pour que la réponse du détecteur atteigne 63 % de sa
valeur maximale.
À t = τ , on a :
I (τ )
1
= 1 − = 0, 63
I
max
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e
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II. Caractéristiques des détecteurs
5) Bande passante
Bande passante
Plage de fréquence dénie par la fréquence de coupure fc dans laquelle la
sensibilité décroît au plus de 3 dB par rapport à la sensibilité statique
20 log(
0
5
−10
−15
−20
0
( )/S ( ))
S f
-3 dB
−
bande passante
fc
f
Fréquence de coupure : inversement proportionnelle au temps de réponse.
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II. Caractéristiques des détecteurs
6) Le bruit
xe une limite à l'amplitude minimale des radiations détectables
+
t
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signal
amplitude
bruit
amplitude
amplitude
mesurande
−→
t
t
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II. Caractéristiques des détecteurs
7) Puissance équivalente de bruit et détectivité
Objectif : qualier l'aptitude du capteur à détecter des signaux faibles par
rapport au bruit de fond.
Puissance équivalente de bruit
Puissance du signal optique qui produit en sortie du capteur pour une
bande passante d'1 Hz un courant photoémissif égal au courant dû au
bruit. L'unité est le W · Hz−1/2 .
Parfois les fournisseurs spécient la détectivité D qui est l'inverse du
PEB.
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1
Généralités
2
Caractéristiques des détecteurs
3
Les photodiodes
4
Bibliographie
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III. Les photodiodes
1) Principe
Photodiode
Jonction PN formée d'un cristal semiconducteur (Si, Ge) qui, lorsqu'on
l'éclaire, émet un courant électrique par eet photoélectrique.
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III. Les photodiodes
1) Principe
Courant circulant dans une photodiode non éclairée
qV
i = i exp
−1
kT
"
!
#
0
q = 1, 6 · 10−19 C la charge de l'électron,
k = 1, 38 · 10−23 J/K la constante de Boltzmann,
T la température,
i est le courant d'obscurité,
V est la tension appliquée.
0
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(8.2)
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III. Les photodiodes
1) Principe
Un photon d'énergie E = hν peut créer une paire électron / trou par
eet photoélectrique.
objectif : séparer la paire électron / trou avant qu'ils ne se
recombinent
et les faire contribuer au courant photo-induit iph = −αΦ.
Φ : ux lumineux
α : sensibilité de la photodiode.
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III. Les photodiodes
2) Caractéristique courant tension
Courant circulant dans une photodiode éclairée
qV
−1
i = i (Φ) + i exp
kT
"
ph
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0
!
#
(8.3)
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III. Les photodiodes
2) Caractéristique courant tension
qV
i = i (Φ) + i exp
−1
kT
"
ph
!
#
0
0.6
0.4
0.2
i/A 0 0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1
V/V
Φ=
Φ=
Φ=
Φ=
Φ=
0W
0.1W
0.2W
0.3W
0.4W
i
Chapitre VIII
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i0
=−
70mA
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III. Les photodiodes
3) Le mode photovoltaïque
aucune source externe de polarisation
fonctionnement dans le IVe quadrant, i négatif et V positif,
absence de courant d'obscurité permettant la mesure de faibles ux,
on mesure
soit la tension en circuit ouvert,
soit le courant de court-circuit
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III. Les photodiodes
3) Le mode photovoltaïque
a) Mesure de la tension en circuit ouvert
C
On mesure directement la tension aux bornes
de la photodiode,
A
le courant est nul :
qV
i = i (Φ) + i exp
−1 =0
kT
"
ph
Vs
soit
V
!
0
kT
i
V=
ln 1 +
q
i
ph
0
i
Chapitre VIII
Réponse fortement non linéaire
Détection de rayonnements optiques
!
#
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III. Les photodiodes
3) Le mode photovoltaïque
b) Mesure du courant en court-circuit
en court-circuit, V = 0 soit i = iph
on place une résistance en série
A
C
apparition d'une tension aux bornes de la
résistance
qui limite l'utilisation du capteur à de faibles
ux (saturation)
R faible : tension trop faible
i
R
V
i
R élevé : saturation
il faut trouver un compromis.
élevé
(régime non linéaire)
R
faible
(régime linéaire)
R
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III. Les photodiodes
3) Le mode photovoltaïque
c) Montage photovoltaïque généralement utilisé
R
i
−
Φ
+
V
111
000
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= −αR Φ
111
000
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III. Les photodiodes
4) Le mode photoconducteur
+
−
C A
on polarise la photodiode en inverse,
fonctionnement dans le IIIe quadrant, i et V
sont négatifs,
R
i ≈ −i − i
i
ph
0
courant d'obscurité qui limite la
détection de faibles ux
ux élevé : on peut négliger i0
V
droite de charge
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V = −αR Φ
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III. Les photodiodes
4) Le mode photoconducteur
Montage photoconducteur généralement utilisé
+ Va
Φ
R
i
−
+
V
111
000
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Détection de rayonnements optiques
= −αR Φ
11
00
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III. Les photodiodes
5) Choix du type de fonctionnement
L'utilisateur choisit son mode de fonctionnement en fonction des
performances recherchées
En mode photoconducteur
fonctionnement linéaire,
temps de réponse court donc bande passante étendue,
ne permet pas de détecter de très faibles ux.
En mode photovoltaïque
bruit de fond limité permettant la détection de très faible ux,
temps de réponse élevé (meilleur détectivité si la résistance de charge
est élevé impliquant une augmentation du temps de réponse !).
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III. Les photodiodes
5) Choix du type de fonctionnement
La réponse spectrale de la photodiode dépend des semiconducteurs
utilisés :
le silicium pour le visible
le germanium pour le proche infrarouge,
GaAs, InAs et InSb pour l'infrarouge.
Les applications Du fait de ses possibilités de fonctionnement, les
applications sont diverses.
Elles vont des télécommunications optiques à la radiométrie
astronomique.
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FIN
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2
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3
Les photodiodes
4
Bibliographie
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Bibliographie
Optique : fondements et applications, José-Philippe Pérez, Dunod,
ISBN 2-10-048497-4 (BU IUT)
p. 176 187 : Photodétecteurs
Rayonnements optiques, radiométrie, photométrie, François
Desvignes, Masson, 1991 (BU IUT)
ch 6 : Détecteurs
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