Les photo-éléments

Les photo-éléments
I) Notion de photométrie
●
Nature ondulatoire
.f = c (c : vitesse de la lumière c=3. 108 ms-1)
couleur (http://www.techmind.org/colour/coltemp.html)
●
Nature corpusculaire
E = hf (h constante de Plank h=6,626 10-34 J.s)
p= h/
Changement des unités d'énergie en eV : E = e.V
(e : charge de l'électron : e = 1,6 10-19 C)
Flux énergétique :  puissance transportée par l'ensemble des radiations (Watt)
Éclairement énergétique : sur une surface réceptrice E=/S (W/m2) ou
Exitance : si c'est en émission (notée M)
(unité photométrique lm/m2= lux = lx)
Intensité énergétique : I= (W/Str)
Flux lumineux : impression que fournit la rétine d'un observateur étalon
(lumière solaire 1W -> 250 lm, lumière jaune  =0,55m 1W -> 650 lm)
Sensibilité (d'un élément photosensible) : courant débité / flux lumineux incident (A/lm)
Sensibilité spectrale : sensibilité en fonction de la longueur d'onde
Pouvoir optique (d'un élément électroluminescent) : flux énergétique émis par unité
d'intensité (W/A)
II) Incandescence: lumière émise par les corps chauds
Corps noir satisfait à :
● loi de Lambert : indépendance de la direction d'émission
● loi de Kirchoff : aucun autre corps ne peut rayonner plus d'énergie
●
loi de Stephan-Boltzmann : E =  T4 (en W/m2) avec =5,67.10-8W.m-2K-4.
6
● Loi de Wien : 
max = 2,897.10 /T (en nm)
(http://www.techmind.org/colour/coltemp.html)
III) Luminescence
Toute émission de lumière qui n'est pas d'origine thermique.
IV) Conduction électrique
Mobilité :  = v/E
Densité de courant : j = n.e.v = n.e..E = .E avec = n.e. (conductivité en -1.m-1)
Rapport avec .
1°) Conducteur et semi-conducteur
Bandes de valence et bandes de conduction.
A 27°C Si : ni=pi=1,5 10-16 m-3 et Ge : ni=pi=2,5 10-19 m-3
2°) Dopages
N : Phospore
P : Bore
V) Cellule photoélectrique
Travail d'extraction WS.
Relation avec longueur d'onde.
Cs : s= 0,68 m, K : s= 0,54 m, Zn : s= 0,37 m (U.V.).
Sensibilité
(théorique)
Sensibilité
(pratique)
s

s
Les photons trop énergétiques
pénètres trop profondément et
n'éjectent pas d'électrons.

VI) Photorésistance
Lorsque le composant n'est pas éclairé, seuls quelques électrons sont libérés
par agitation thermique et la conductivité est faible (résistance d'obscurité
104 à 1O9 )
Relation entre longueur d'onde et bande interdite (Wi)
I(mA)
I
2000
1000
E=500 lux
300
10
V
U0
100
0
V(V)
5
VII) Photodiode
Le courant varie en fonction de l'éclairement lumineux reçu.
Les photons créent des paires électrons-trous dans la zone désertée ce qui
fait varier le courant inverse.
Montage photoconducteur
Montage photovoltaïque
Id
Vd
Vcc
R
Vd
R
Vs
Vs
Résistance nulle donne courant de courtcircuit
Résistance élevée donne la tension à vide
Id
Exprimer iD=f(VCC,vD,R)
Id
­Vcc
Vd
Vd


Droite
d'attaque
Droite
d'attaque
R
Vd
Vcc
i
+
­
R
R1
Vs=(1+R2/R1)Ri
Vd
­
+
Vs
Vs
R2
Vs = Ri
VIII) Phototransistor
Phototransistor : généralise ce principe sur la jonction collecteur base.
Parfois le flux lumineux est réalisé par une diode électroluminescente. Voir
caractéristiques ci- dessous (on parle de photocoupleur) :
IC(mA)
ID = 14 mA
12
10
8
6
4
2
150
60
15
IX) Diode LED
RD=300 Ω
ID(mA)
RT=200 Ω
10
UCE (V)
ED = 5V
1,5 2
UD (V)
UT = 30V
X) Diode LASER
(émission, absorption, émission stimulée)
On rappelle qu'une diode est composée de deux parties en semi-conducteurs dopés.
Pour la suite on désignera le substrat qui constitue la diode par sa composition de base,
à savoir le silicium sans s'occuper des dopages.
Nous allons modéliser une diode laser classique. Ce circuit comporte une diode laser
émettrice et une diode PIN permettant de surveiller la puissance effectivement émise.
Les caractéristiques constructeur sont fournies en figure 8. La figure 8.a donne la
dépendance entre le courant dans la diode IL et la puissance optique émise P0. La figure
8.b donne la dépendance entre le courant et la tension Ud aux bornes de la diode laser.
Le courant de seuil IS est défini comme le courant à partir duquel l'émission laser
commence. La figure 8.c donne la dépendance de ce courant de seuil avec la
température T du boîtier. Enfin la figure 8.d donne le courant circulant dans la diode PIN
IPIN en fonction de la puissance P0 émise par la diode laser.
2,0
100
5°C
1,6
25°C
60°C
70°C
0,8
0,4
0
40
60
20
IL : courant direct diode laser (mA)
0
Figure 8.a
Courant de seuil (mA)
IS
IL
80
60
40
70°C
20
0
0
1,0
0,5
Ud : Tension directe diode laser
(V)
P0
12,5
Température du boîtier T (°C)
Figure 8.c
25°C
1,4
Figure 8.b
Puissance optique de sortie (mW)
1,2
Courant direct diode laser (mA)
Puissance optique de sortie (mW)
P0
2,0
1,6
1,2
0,8
0,4
0
0
400
200
: Courant diode PIN (µA)
IPIN
Figure 8.d
Question 2.1.
La diode laser est donc un transducteur qui absorbe une puissance électrique et émet
une puissance optique. A partir des caractéristiques constructeur (figures 8), calculer le
rendement de la diode laser pour un courant de 40 mA et une température de 70 °C.
Question 2.2.
Le courant de seuil (noté IS par la suite) dépend de la température : on le constate en
figure 8.a et la figure 8.c le confirme. A partir de cette documentation trouver la loi
donnant le courant de seuil IS en fonction de la température. On exprimera cette loi sous
la forme
IS = C0.expC1T
(T en °C et IS en mA)
en calculant les coefficients C0 et C1 en précisant leurs unités.