Les photo-éléments. Sensibilité (d'un élément photosensible) : courant débité / flux lumineux incident (A/lm)

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1 I) Notion de photométrie Nature ondulatoire Les photo-éléments.f = c (c : vitesse de la lumière c= ms -1 ) couleur ( Nature corpusculaire E = hf (h constante de Plank h=6, J.s) p= h/ Changement des unités d'énergie en ev : E = e.v (e : charge de l'électron : e = 1, C) Flux énergétique : puissance transportée par l'ensemble des radiations (Watt) Éclairement énergétique : sur une surface réceptrice E=/S (W/m 2 ) ou Exitance : si c'est en émission (notée M) (unité photométrique lm/m 2 = lux = lx) Intensité énergétique : I= (W/Str) Flux lumineux : impression que fournit la rétine d'un observateur étalon (lumière solaire 1W -> 25 lm, lumière jaune =,55m 1W -> 65 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/m 2 ) avec =5, W.m -2 K -4. Loi de Wien : max = 2, /T (en nm) ( III) Luminescence Toute émission de lumière qui n'est pas d'origine thermique.

2 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 ) apport avec. 1 ) Conducteur et semi-conducteur Bandes de valence et bandes de conduction. A 27 C Si : n i =p i =1, m -3 et Ge : n i =p i =2, m -3 2 ) Dopages N : Phospore P : Bore V) Cellule photoélectrique Travail d'extraction W S. elation avec longueur d'onde. Cs : s =,68 m, K : s =,54 m, Zn : s =,37 m (U.V.). Sensibilité (théorique) Sensibilité (pratique) s s Les photons trop énergétiques pénètres trop profondément et n'éjectent pas d'électrons.

3 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 1 4 à 1O 9 ) elation entre longueur d'onde et bande interdite (W i ) I(mA) I 2 1 E=5 lux 1 3 V U 1 VII) Photodiode 5 V(V) 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 Vcc Id Exprimer i D =f(v CC,v D,) Id Vcc ésistance nulle donne courant de courtcircuit ésistance élevée donne la tension à vide Id Droite d'attaque Droite d'attaque Vcc + i =(1+2/1)i = i

4 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) : 15 6 I C (ma) I D = 14 ma I D (ma) D =3 Ω E D = 5V T =2 Ω U T = 3V 15 U CE (V) 1,5 2 U D (V) IX) Diode LED

5 X) Diode LASE (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 P. 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 P émise par la diode laser. Puissance optique de sortie (mw) 2, 1,6 1,2,8,4 P 25 C 5 C IL : courant direct diode laser (ma) 6 C 7 C I L 1 Figure 8.a Figure 8.b Courant direct diode laser (ma) ,5 7 C Ud : Tension directe diode laser (V) 1, 1,4 25 C I S P 2, Courant de seuil (ma) 12,5 Température du boîtier T ( C) Puissance optique de sortie (mw) 1,6 1,2,8,4 I PIN 2 4 : Courant diode PIN (µa) Figure 8.c Figure 8.d

6 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 4 ma et une température de 7 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 = C.expC1T (T en C et IS en ma) en calculant les coefficients C et C1 en précisant leurs unités.