PHOTORECEPTEURS : MONTAGES AGREG

PHOTORECEPTEURS : MONTAGES AGREG
Détermination du GAP d'un semi-conducteur (SC)
Déterminer le gap d'un semi-conducteur CdS (Eg = 2 à 2.5 eV) à l'aide du monochromateur Jobin-Yvon. Placer
une lampe blanche sur la fente d'entrée du monochromateur Jobin-Yvon et placer le SC au niveau de la fente
de sortie. Vérifier que la transmission s’annule quand le SC absorbe i.e. pour
λ < λ
gap
. En déduire Eg.
On peut aussi utiliser Spectrovio : dans ce cas on visualise directement le spectre et la transmission du SC.
(Attention, Spectrovio ne permet pas une mesure absolue de la réponse spectrale car la sensibilité de la barette
CCD varie sur l’ensemble du spectre visible).
!
Mesure du rendement quantique η et de la sensibilité spectrale S(A/W) d’une photodiode au
silicium
Éclairer!le!monochromateur!Jobin-Yvon!avec!une!lampe!quartz/iode.!!
-!Il!faut!commencer!par!étalonner!la!puissance!de!sortie!du!monochromateur!en!fonction!de!la!longueur!
d'onde!λ! à! l'aide!du!détecteur! étalonné!(puissance! mètre)! afin!de!connaître!la!puissance!de! sortie!du!
monochromateur!en!watts!en!fonction!de!λ.!!
-! Il! faut! ensuite! mesurer! la! réponse! en! courant!de! la! photodiode! pour! la! même! gamme! de! longueur!
d’onde.!Utiliser! une! photodiode! au! silicium! OSD5T.! Faire! le! montage! en! photoconducteur! (avec! une!
tension!d’alim!E=10V!max)!et!une!résistance!de!charge.!Prendre!une!résistance!de!charge!pour!que!la!
tension!max!à!ses!bornes!ne!dépasse!pas!la!tension!d’alim!(10V).!Placer!la!photodiode!OSD5T!au!niveau!
de!la!fente!de!sortie!et!mesurer!la!tension!!aux!bornes!de!la!résistance!de!charge!en!fonction!de!λ.!En!
déduire! le! courant!i(A)! et! la! sensibilité! en! A/W!de! la! photodiode.! Comparer! à! la! documentation!
constructeur.!
-!En!déduire!le!rendement!quantique!η.!On!a
S(A/W)=
η q
h υ
=
ηλ ( µ m)
1.24
.!
REMARQUE!:! On! peut! aussi! mesurer! directement! le! courant! i(A)! débité!dans! un! micro! ampèremètre.!
Dans!ce!cas!on!branche!directement!la!diode!sur!le!micro!ampèremètre!(prendre!un!Keithley)!et!on!en!
déduit!directement!la!sensibilité!en!A/W.!
!
Mesure du courant de sortie I d’une photodiode au silicium en fonction de l’éclairement
Utiliser!une!photodiode!au!silicium!OSD5T!ou!BPW21.!Faire!le!montage!en!photoconducteur!avec!une!
tension!max!de!E=10V.!Eclairer!avec!un!laser!polarisé!HeNe!de!1mW.!!Choisir!la!résistance!de!charge!
pour!mesurer!1V!pour!1mW!environ.!Faire!varier!l'éclairement!avec!les!filtres!gris!de!densité!variable!
ND!(«!neutral!density!»!).!On!a!la!relation!suivante!entre!la!transmission!du!filtre!T!et!ND,!
T=10−ND
.!!
REMARQUE,!quand!on!place!plusieurs!filtres,!les!ND!s’ajoutent.!!
ATTENTION!:!il!faut!placer!toujours!un!filtre!de!petite!valeur!!de!ND!devant!un!filtre!de!grande!valeur!!de!
ND!pour!ne!pas!«!brûler!»!le!filtre.!
-!Mesurer!la!tension!aux!bornes!de!la!résistance!de!charge!en!fonction!de!l’éclairement!avec!la!tension!à!
E=10V!et!E=0V.!Tracer!V!en!fonction!de!l’éclairement!dans!les!deux!cas.!Conclure!sur!le!rôle!de!la!tension!
d’alimentation!E.!
!
Phototransistor 1
!
Mesurer! la! tension! ! aux! bornes! de! la! résistance! R.! En! déduire! le! ! courant!
Ic=(β+1)Iph.!En!déduire!la!!sensibilité!S!en!A/W!du!transistor!!utilisé!(BPX43,!
BPW14…)!Comparer!à!la!documentation!constructeur.!Comparer!la!sensibilité!
à!celle!de!la!photodiode!au!silicium.!Mesurer!à!l'aide!des!filtres!gris!la!plage!de!
linéarité.!Conclure.!
!
Thermopile
Une! thermopile! est! un! détecteur! thermique! peu! sensible! mais! à! réponse! spectrale! plate! en!
comparaison! d’une! diode! au! Silicium! (détecteur! quantique).! Avec! la! thermopile! CA2,! on! peut!

mesurer!ce!temps!de!réponse!en!mesurant!à!l’oscillo!le!temps!de!décroissance!!(90%!!10%)!en!
bloquant! le! faisceau! quand! le! capteur! est! éclairée! avec! une! QI.! Comparer! à! la! documentation!
constructeur.!Comparer!avec!une!diode!au!silicium.!
!
!
Caractéristique!courant/!tension!(Sextant!p.!62)!
!
!!

Mesure du temps de réponse d’une diode (Si)
On!utilise!une!diode!laser!modulable!en!intensité!(boitier!bleu)!par!un!signal!TTL.!L'intensité!de!la!diode!
laser!est!donc!modulée!à!la!fréquence!du!générateur!BF!en!tout!ou!rien.!!
Faire! le! montage! de! la! photodiode!(OSD5T/BPW21)! en!
photoconducteur! avec! une! tension! max! E=10V.! Fixer! la! résistance! de!
charge!(R)!pour!que!la!tension!sur!la!résistance!de!charge!ne!dépasse!
pas!200mV!quand!E=0V!(dans!ce!cas!on!a!une!réponse!linéaire!entre!la!
tension! aux! bornes! de! la! résistance! de! charge! en! fonction! de!
l’éclairement!même!si!la!tension!d’alimentation!est!nulle).!Alimenter!la!
diode! laser! à! l'aide! de! la! sortie! TTL!du! générateur! BF!et! régler! la!
fréquence! à! environ!10! kHz! par!exemple.! La!tension!qui! est!mesurée!
aux!bornes!de!la!résistance!de!charge!a!l'allure!suivante!sur!l'écran!de!
l'oscilloscope.!Le!temps!de!réponse!est!essentiellement!déterminé!par!
le! temps! de! charge! ou! décharge! de! la! capacité! équivalente! (C)! de! la!
diode!dans!la!résistance!de!charge!(R).!!
!
Le!temps!de!réponse!(tr)!est!défini!entre!10%!et!90%!du!temps!de!décroissance!total.!Sur!la!figure,!ce!
temps!est!compris!entre!les!deux!croix.!On!a!en!théorie!
tr=2.2RC
.!Pour!obtenir!une!mesure!précise!il!
est!conseillé!de!dilater!cette!portion!de!courbe!sur!la!totalité!de!l'écran.!On!utilisera!également!le!signal!
TTL!pour!déclencher!en!externe!le!signal!à!mesurer.!Mesurer!tr!en!fonction!de!la!tension!de!polarisation!
E! de! 0V! à! 10V.! En! déduire! la! capacité!C! de! la! photodiode.! Comparer! à! la! valeur! annoncée! par! le!
constructeur.!Tracer!C-2!en!fonction!de!la!tension!de!polarisation!E.!Conclure.!
On! rappelle! qu’en! régime! dynamique! le! circuit! équivalent! d’une! photodiode! est! un! générateur! de!
courant! en! parallèle! avec! une! capacité!
C= ε
0
ε
rS/W
!si! S! est! la! surface! éclairée! de! la! diode! et! W! la!
largeur!de!la!zone!de!transition!de!la!diode.!Pour!une!jonction!PN!à!transition!abrupte,!on!a!
W∝E
!.)!
!
!VARIANTE!:!Mesure!de!bande!passante!
A! partir! du! même! montage,! on! peut! mesurer! la!réponse! en! fréquence.! Faire! varier! la! fréquence! f! et!
mesurer!la!tension!crête!à!crête!(V)!aux!bornes!de!R!en!fonction!de!f.!Tracer!la!courbe!V!en!fonction!de!f.!
La!réponse!en!fréquence!d’une!capacité!C!et!d’une!résistance!R!en!parallèle!est!du!premier!ordre.!On!a!
donc
V/Vmax =1 1 +f/fc
( )
2
!avec! la! fréquence! de! coupure! fc.! Mesurer! fc!et! en! déduire! le! temps! de!
réponse!tr,!on!a!(fc=0.35/tr).!!
!
Évolution du Gain du PMT en fonction de la haute tension VHT
La!caractéristique!majeure!d'un!PMT!est!sa!grande!sensibilité!permettant!de!mesurer!des!flux!lumineux!
très! faibles.! Il! est! essentiel! de! contrôler! le! flux! lumineux! incident! pour! ne! pas! dépasser! le! courant!
d’anode!maximum.!Si!on!considère!que!la!valeur!limite!de!la!tension!d’anode!est!de!5%!du!max!et!que!on!
utilise!un! laser! HeNe!de! 1! mW,! alors!compte! tenu!de! la!sensibilité! cathodique! il! faut! atténuer! le! flux!
incident!par!1!million.!On!utilise!un!filtre!gris!de!densité!ND=6!qui!est!déjà!en!place!devant!la!cathode!et!
sa!valeur!exacte!est!écrite!sur!le!PMT.!D’autre!part,!l'anode!est!en!l'air!et!doit!être!branchée!sur!une!
résistance!de!charge!R!quand!la!haute!tension!est!présente.!Il!faut!choisir!R!pour!que!la!tension!
max!à!ses!bornes!ne!dépasse!pas!1%!de!la!tension!inter!dynode!qui!est!environ!de!100V.!!
Manipulation!:!Brancher!l’anode!sur!la!résistance!de!charge!R.!Eclairer!le!PMT!avec!le!laser!HeNe!(élargir!
le!faisceau).!Mesurer!la!tension!aux!bornes!de!R!en!fonction!de!VHT.!En!déduire!le!courant! d’anode!IA.!
Estimer!le!courant!de!cathode!IK!à!partir!de!la!sensibilité!cathodique!à!633nm.!En!déduire!le!gain!G!du!
PMT!en!fonction!de!VHT.!Tracer!G!en!fonction!de!VHT!en!log-log!et!en!déduire!le!nombre!de!dynodes!n.!
!
RAPPEL :IA=G IK(G : gain du PMT)
G= δ
n(
δ : coefficient d'émission secondaire, n : nombre de dynodes)
δ =a Vint er
k(Vint er : tension inter dynode, a: constante, k = 0.7 ∼0.8 : coefficient qui dépend du matériau)
δ =aVHT
n+1
⎛
⎝
⎜⎞
⎠
⎟
k
→G=anVHT
n+1
⎛
⎝
⎜⎞
⎠
⎟
kn
=an
n+1
( )
kn VHT
kn
!

!
!
!!
!

!