Photodiode et l.e.d.semi

PHOTODIODE ET L.E.D.
Le but de cette manipulation est d'étudier la réponse d'une photodiode à un ensemble de radiations
provenant d'une lampe à filament de tungstène. Existe-t-il une relation simple entre l'intensité du courant
inverse et le flux lumineux reçu? On souhaite par ailleurs déterminer la sensibilité de ce type de détecteur en
fonction de la longueur d'onde.
On examinera également quelques éléments photoémetteurs pour montrer qu'ils sont susceptibles de
fonctionner aussi en détecteur dans une gamme de longueur d'onde autour de leur longueur d'onde principale
d'émission : les transitions radiatives se produisent aussi bien pour une émission que pour une absorption.
1 - Matériel et méthodes
1-1) Cellule de Moll
Ce type de détecteur, dont les caractéristiques techniques se trouvent dans un dossier sur la table de
manipulation, présente une qualité importante et deux défauts mineurs. Sa qualité principale est en effet de
donner une réponse en tension proportionnelle à l'énergie reçue quelque soit la longueur d'onde incidente
entre 150 nm et 15 µm. Par contre son temps de réponse (temps pour atteindre 90% du signal stabilisé) est
long. Elle est également très sensible aux variations de température de la masse métallique servant de
référence et qui est censée suivre la température ambiante. Tout contact prolongé de la main sur le corps de
la cellule entraîne une dérive de la température de référence et le retour à la normale est long : plusieurs
dizaines de minutes. Il faudra donc attendre assez longtemps pour enregistrer une mesure. Il faut aussi
relever la réponse avant et après la mesure pour tenir compte des dérives éventuelles de la température de
référence.
1-2) Le dispositif d'éclairement
La lampe à filament présente un maximum dans l'infrarouge compte tenu de la température assez basse
du filament (de l'ordre de 2300 K). Les polaroïds servant à moduler le flux n'obéissent à la loi de Malus que
dans le domaine du visible. Il s'avère donc nécesaire d'utiliser un filtre anticalorique.
1-3) Le "monochromateur"
L'appareil utilisé pour étudier la réponse en fonction de la longueur d'onde n'a de monochromateur que le
nom. C'est en réalité un spectroscope à réseau. On pourra constater en utilisant une lampe spectrale que,
pour un certain domaine d'incidence, il superpose les spectres de premier, second et troisième ordre.
Il faudra donc, en utilisant le filtre anticalorique et en se limitant, définir une zone de longueurs d'onde où
l'ensemble fonctionne à peu près en monochromateur, c'est-à-dire où les contributions des spectres d'ordre 1
et d'ordre 3 sont négligeables par rapport au spectre d'ordre 2.
1-4) La mesure de sensibilité
Le dispositif expérimental utilisé ne fournit pas du tout un flux constant suivant la longueur d'onde. Donc
la réponse d'un détecteur tel que la photodiode traduit à la fois la variation du flux incident sur le détecteur et
la sensibilité de ce détecteur. Il faut donc ramener cette réponse à une réponse à énergie incidente constante.
Un étalonnage du dispositif au moyen de la cellule de Moll a donc été réalisé : le résultat de cet
étalonnage figure sous forme de courbe et de tableau dans le dossier à la disposition des étudiants sur la table
de manipulation.
2 - Partie pratique
2-1) Examiner la réponse de la cellule de Moll en fonction du temps pour de brusques variations de
lumière d'amplitude importante, moyenne, faible.
On utilisera comme source de lumière la lampe à iode (lampe à filament de tungstène) ainsi qu'un écran
opaque pour passer de l'obscurité à la lumière selon une périodicité choisie (de quelques dizaines de secondes
à une ou deux minutes). En déduire une "philosophie" pour l'utilisation ultérieure de la cellule de Moll.
Semi-conducteurs – photodiode et L.E.D. -1
Plate-forme Matière Condensée et Cristallographie ( MCC) --- C.E.S.I.R.E. Université J.Fourier Grenoble
2-2) On souhaite contrôler l'intensité du flux au moyen de deux polaroïds dont on fait varier l'angle α de
0 à 90° par pas de 10°.
Tracer la réponse de la cellule de Moll en fonction de cos 2α avec le verre anticalorique. Comparer les
valeurs trouvées avec celles mesurées pour un angle de 0°, 45° et 90° sans verre anticalorique. Expliquer ce
résultat en utilisant les courbes de transmission figurant dans le classeur (verre anticalorique et
polariseurs croisés ).
2-3) Tracer la réponse de la photodiode en fonction du flux lumineux reçu mesuré précédemment (en
watt/m2) à l'aide de la cellule de Moll, toutes longueurs d'onde confondues dans la partie visible du spectre.
On utilisera un dispositif expérimental qui tient compte des observations effectuées ci-dessus.
2-4) Vérifier l'étalonnage du spectroscope au moyen de la lampe spectrale (lampe à hélium). Repèrer les
positions des raies connues (valeurs affichées). Si on appelle a l'intervalle qui sépare 2 traits du réseau, i
l'angle d'incidence et r l'angle de réflexion, on trouve une raie de longueur d'onde λ pour
a (sin i - sin r) = k.λ
k entier est appelé ordre
On peut observer certaines raies pour 3 ordres différents. A quel ordre correspond l'étalonnage du
spectroscope?
Remettre ensuite la lampe à iode (filament de tungstène dans une atmosphère d'iode donnant un spectre
continu) à l'entrée du spectromètre.
2-5) Pour la photodiode, tracer le courbe courant inverse en fonction de la longueur d'onde à la sortie du
spectromètre. Cette courbe traduit-elle la sensibilité de l'élément étudié en fonction de la longueur d'onde?
Pourquoi?
Tracer la réponse de la photodiode en utilisant un filtre infrarouge (ou verre anticalorique).
2-6) Examiner dans le classeur la courbe obtenue, au moyen de la cellule de Moll, à la sortie du
spectromètre éclairé par la lampe à iode.
En déduire la correction à effectuer sur la courbe précédente pour obtenir effectivement la sensibilité de
l'élément étudié en fonction de la longueur d'onde.
2-7) Remplacer la lampe à iode par une des trois diodes électroluminescentes (alimentation 3V en direct)
et tracer la réponse de la photodiode en fonction de la longueur d’onde.
Tracer les courbes de réponse de la photodiode pour chacune des trois diodes électroluminescentes
(LED). Que peut-on en conclure ?
Semi-conducteurs – photodiode et L.E.D. -2
Plate-forme Matière Condensée et Cristallographie ( MCC) --- C.E.S.I.R.E. Université J.Fourier Grenoble