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
ÉclairerlemonochromateurJobin-Yvonavecunelampequartz/iode.
-Ilfautcommencerparétalonnerlapuissancedesortiedumonochromateurenfonctiondelalongueur
d'onde λ à l'aide du détecteur étalonné (puissance mètre) afin de connaître la puissance de sortie du
monochromateurenwattsenfonctiondeλ.
- 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
tensionmaxàsesbornesnedépassepaslatensiond’alim(10V).PlacerlaphotodiodeOSD5Tauniveau
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.
-Endéduirelerendementquantiqueη.Ona S(A / W ) =
ηq ηλ ( µ m)
.
=
hυ
1.24
REMARQUE: On peut aussi mesurer directement le courant i(A) débité dans un micro ampèremètre.
Danscecasonbranchedirectementladiodesurlemicroampèremètre(prendreunKeithley)etonen
déduitdirectementlasensibilitéenA/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
pourmesurer1Vpour1mWenviron.Fairevarierl'éclairementaveclesfiltresgrisdedensitévariable
− ND
ND(«neutraldensity»).OnalarelationsuivanteentrelatransmissiondufiltreTetND, T = 10
.
REMARQUE,quandonplaceplusieursfiltres,lesNDs’ajoutent.
ATTENTION:ilfautplacertoujoursunfiltredepetitevaleurdeNDdevantunfiltredegrandevaleurde
NDpournepas«brûler»lefiltre.
-Mesurerlatensionauxbornesdelarésistancedechargeenfonctiondel’éclairementaveclatensionà
E=10VetE=0V.TracerVenfonctiondel’éclairementdanslesdeuxcas.Concluresurlerôledelatension
d’alimentationE.
Phototransistor 1
Mesurer la tension aux bornes de la résistance R. En déduire le courant
Ic=(β+1)Iph.EndéduirelasensibilitéSenA/Wdutransistorutilisé(BPX43,
BPW14…)Compareràladocumentationconstructeur.Comparerlasensibilité
àcelledelaphotodiodeausilicium.Mesureràl'aidedesfiltresgrislaplagede
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
mesurercetempsderéponseenmesurantàl’oscilloletempsdedécroissance(90%10%)en
bloquant le faisceau quand le capteur est éclairée avec une QI. Comparer à la documentation
constructeur.Compareravecunediodeausilicium.
Caractéristiquecourant/tension(Sextantp.62)
Mesure du temps de réponse d’une diode (Si)
Onutiliseunediodelasermodulableenintensité(boitierbleu)parunsignalTTL.L'intensitédeladiode
laserestdoncmoduléeàlafréquencedugénérateurBFentoutourien.
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
pas200mVquandE=0V(danscecasonauneréponselinéaireentrela
tension aux bornes de la résistance de charge en fonction de
l’éclairementmêmesilatensiond’alimentationestnulle).Alimenterla
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
auxbornesdelarésistancedechargeal'alluresuivantesurl'écrande
l'oscilloscope. Le temps de réponse est essentiellement déterminé par
le temps de charge ou décharge de la capacité équivalente (C) de la
diodedanslarésistancedecharge(R).
Letempsderéponse(tr)estdéfinientre10%et90%dutempsdedécroissancetotal.Surlafigure,ce
tempsestcomprisentrelesdeuxcroix.Onaenthéorie t r = 2.2RC .Pourobtenirunemesurepréciseil
estconseillédedilatercetteportiondecourbesurlatotalitédel'écran.Onutiliseraégalementlesignal
TTLpourdéclencherenexternelesignalàmesurer.Mesurertrenfonctiondelatensiondepolarisation
E de 0V à 10V. En déduire la capacitéC de la photodiode. Comparer à la valeur annoncée par le
constructeur.TracerC-2enfonctiondelatensiondepolarisationE.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 0ε r S / W si S est la surface éclairée de la diode et W la
largeurdelazonedetransitiondeladiode.PourunejonctionPNàtransitionabrupte,ona W ∝ E .)
VARIANTE:Mesuredebandepassante
A partir du même montage, on peut mesurer la réponse en fréquence. Faire varier la fréquence f et
mesurerlatensioncrêteàcrête(V)auxbornesdeRenfonctiondef.TracerlacourbeVenfonctiondef.
Laréponseenfréquenced’unecapacitéCetd’unerésistanceRenparallèleestdupremierordre.Ona
donc V / Vmax = 1
1+ ( f / fc ) avec la fréquence de coupure fc. Mesurer fc et en déduire le temps de
2
réponsetr,ona(fc=0.35/tr).
Évolution du Gain du PMT en fonction de la haute tension VHT
Lacaractéristiquemajeured'unPMTestsagrandesensibilitépermettantdemesurerdesfluxlumineux
très faibles. Il est essentiel de contrôler le flux lumineux incident pour ne pas dépasser le courant
d’anodemaximum.Sionconsidèrequelavaleurlimitedelatensiond’anodeestde5%dumaxetqueon
utilise un laser HeNe de 1 mW, alors compte tenu de la sensibilité cathodique il faut atténuer le flux
incidentpar1million.OnutiliseunfiltregrisdedensitéND=6quiestdéjàenplacedevantlacathodeet
savaleurexacteestécritesurlePMT.D’autrepart,l'anodeestenl'airetdoitêtrebranchéesurune
résistancedechargeRquandlahautetensionestprésente.IlfautchoisirRpourquelatension
maxàsesbornesnedépassepas1%delatensioninterdynodequiestenvironde100V.
Manipulation:Brancherl’anodesurlarésistancedechargeR.EclairerlePMTaveclelaserHeNe(élargir
le faisceau). Mesurer la tension aux bornes de R en fonction de VHT. En déduire le courant d’anode IA.
EstimerlecourantdecathodeIKàpartirdelasensibilitécathodiqueà633nm.EndéduirelegainGdu
PMTenfonctiondeVHT.TracerGenfonctiondeVHTenlog-logetendéduirelenombrededynodesn.
RAPPEL :
IA = G IK
(G : gain du PMT)
G = δ n (δ : coefficient d'émission secondaire, n : nombre de dynodes)
δ = a Vintk er
(Vint er : tension inter dynode, a: constante, k = 0.7 ∼ 0.8 : coefficient qui dépend du matériau)
k
⎛V ⎞
⎛V ⎞
δ = a ⎜ HT ⎟ → G = a n ⎜ HT ⎟
⎝ n + 1⎠
⎝ n + 1⎠
kn
an
kn
=
kn VHT
( n + 1)