Ludovic Grossard. Chapitre VIII Détection de rayonnements optiques. Département Mesures Physiques, IUT du Limousin Université de Limoges

Transcription

1 Chapitre VIII Détection de rayonnements optiques Ludovic Grossard Département Mesures Physiques, IUT du Limousin Université de Limoges

2 1 Généralités 2 Caractéristiques des détecteurs 3 Les photodiodes 4 Bibliographie

3 1 Généralités 2 Caractéristiques des détecteurs 3 Les photodiodes 4 Bibliographie

4 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 : Φ E 2 τ = 1 E 2 dt (8.1) τ τ avec τ le temps de réponse du détecteur

5 1 Généralités 2 Caractéristiques des détecteurs 3 Les photodiodes 4 Bibliographie

6 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

7 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

8 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 = I φ

9 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

10 II. Caractéristiques des détecteurs 3) Sensibilité courbe de réponse spectrale Variation de la sensibilité en fonction de la longueur d'onde α(λ) α m λ m λ seuil λ

11 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) = Imax (1 exp( t/τ)) I (t) imax imax (1/e) Imax τ t

12 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 e Imax

13 II. Caractéristiques des détecteurs 5) Bande passante Bande passante Plage de fréquence dénie par la fréquence de coupure f c dans laquelle la sensibilité décroît au plus de 3 db par rapport à la sensibilité statique 20 log(s(f )/S(0)) db bande passante fc f Fréquence de coupure : inversement proportionnelle au temps de réponse.

14 II. Caractéristiques des détecteurs 6) Le bruit xe une limite à l'amplitude minimale des radiations détectables mesurande bruit signal amplitude amplitude + amplitude t t t

15 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 PEB. qui est l'inverse du

16 1 Généralités 2 Caractéristiques des détecteurs 3 Les photodiodes 4 Bibliographie

17 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.

18 III. Les photodiodes 1) Principe Courant circulant dans une photodiode non éclairée [ ( ) ] qv i = i0 exp 1 kt (8.2) q = 1, C la charge de l'électron, k = 1, J/K la constante de Boltzmann, T la température, i0 est le courant d'obscurité, V est la tension appliquée.

19 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.

20 III. Les photodiodes 2) Caractéristique courant tension Courant circulant dans une photodiode éclairée i = iph(φ) + i0 exp [ ( ) ] qv 1 kt (8.3)

21 III. Les photodiodes 2) Caractéristique courant tension i = iph(φ) + i0 [ exp ( qv kt ) 1 ] i / A i0 Φ = 0W Φ = 0.1W Φ = 0.2W Φ = 0.3W Φ = 0.4W i0 = 70mA V / V

22 III. Les photodiodes 3) Le mode photovoltaïque aucune source externe de polarisation fonctionnement dans le IV e 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

23 III. Les photodiodes 3) Le mode photovoltaïque a) Mesure de la tension en circuit ouvert C Vs A On mesure directement la tension aux bornes de la photodiode, le courant est nul : [ i = iph(φ) + i0 exp ( qv kt ) 1 ] = 0 V soit V = kt q ( ) ln 1 + i ph i0 i Réponse fortement non linéaire

24 III. Les photodiodes 3) Le mode photovoltaïque b) Mesure du courant en court-circuit C V R A i en court-circuit, V = 0 soit i = iph on place une résistance en série 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 R élevé : saturation i R élevé il faut trouver un compromis. (régime non linéaire) R faible (régime linéaire)

25 III. Les photodiodes 3) Le mode photovoltaïque c) Montage photovoltaïque généralement utilisé R i Φ + V = αrφ

26 III. Les photodiodes 4) Le mode photoconducteur + C R A on polarise la photodiode en inverse, fonctionnement dans le III e quadrant, i et V sont négatifs, i i iph i0 courant d'obscurité qui limite la détection de faibles ux V ux élevé : on peut négliger i0 V = αrφ droite de charge

27 III. Les photodiodes 4) Le mode photoconducteur Montage photoconducteur généralement utilisé +Va Φ R i + V = αrφ

28 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!).

29 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.

30 FIN

31 1 Généralités 2 Caractéristiques des détecteurs 3 Les photodiodes 4 Bibliographie

32 Bibliographie Optique : fondements et applications, José-Philippe Pérez, Dunod, ISBN (BU IUT) p : Photodétecteurs Rayonnements optiques, radiométrie, photométrie, François Desvignes, Masson, 1991 (BU IUT) ch 6 : Détecteurs