composants optoélectronique

7/30/2019 composants optolectronique

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CHAPITRE 4 : Les composants Optolectronique

NB :

1) Vs (seuil de la diode)Avec = 26 mV T = 293 K (T : temprature de jonction)

On a =KT/q avec K contante de boltzman et T en (K) et q charge lmentaire en coulombavec 1J=1 Cx1 V (joul).

= constante spcifique au type de diode considr ( a la dimension d'un courant).

**************>>>>>

2) Caractristiques des Emetteurs et Rcepteurs optolectronique :

Vitesse de la lumire et indice de rfraction :

C'est dans le vide que la lumire se propage le plus vite, la vitesse c = 299 792 458 m/s

(presque 3.108m/s) Lorsqu'elle pntre dans un autre milieu (ex : verre, eau...) , elle ralentit

une vitesse v dpendant du milieu en question. On appelle indice de rfraction "n" du milieu

considr le rapport : n = c/v soit n = Vitesse de la lumire dans le vide/vitesse dans

le milieu considr.

Pour le verre, on a n = 1,5. Ce qui signifie que la lumire se dplace 1,5 fois plus vite dans le

vide que dans le verre (en moyenne car l'indice du milieu et donc la vitesse dpendent aussi


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de la frquence ou "couleur" de la lumire considre).

Vitesse dans le verre = c/n = 299 792 458/1,5 = 199 861 639 m/s.

*Relation entre et :v/

Rendement des Emetteurs et Rcepteurs Optolectronique :

Emetteur :

Rendement nergtique e=

Rendement lumineux =

Rendement quantique q=

***On parle aussi sur le temps de rponse de lmission dun signal lumineux lorsquun

signal lectrique est appliqu.

Rcepteurs :

Rendement quantique q=


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Caractristiques mtrologiques

1- Courant dobscurit I0

Le courant d'obscurit correspond au courant permanent dlivr par le dispositif photosensible

en l'absence de flux lumineux (obscurit) et lorsque le capteur est polaris dans les conditionsd'utilisation. Les sources peuvent tre internes (libration de porteurs de charge par excitation

thermique) o externe (rayonnement thermique).

Le capteur doit tre choisi de telle manire que le courant d'obscurit soit trs infrieur au

courant photolectrique correspondant au signal lumineux minimum que l'utilisateur veut

mesurer.

Deux origines principales :

origine internelibration de porteurs de charges par excitation thermique

origine externerayonnement thermique dominante infrarouge

(si le capteur est sensible ces radiations)

Ainsi le courant dobscurit prsente : une sensibilit la temprature : risque de drives thermiques de courant pouvant tre

confondues avec des variations lentes du mesurande;

des fluctuations autour de sa valeur moyenne : bruit de fond qui augmente avec lintensit du courant dobscurit et fixe une amplitude minimale dtectable du mesurande.

2- Sensibilit

Le flux du rayonnement optique reu par le capteur cre un courant dorigine photolectrique

Ip. Le courant traversant le capteur est alors

I =Ip+I0.

La sensibilit du capteur est alors

lunit de mesure du flux : W, lm ou lux si le flux est spcifi par lclairement quil produit

3- Sensibilit spectrale

Cest la sensibilit du capteur lorsque le rayonnement reu est

monochromatique

Il est possible de prvoir lallure de la variation de S() :

pour>s (s: longueur donde de seuil) le courant Ipest en principe nul S()=0.

pour < s en admettant que le photo courant Ip est proportionnel au nombre G de porteur

de charges libr par seconde, on a

rendement quantique : nb moyen de porteurs librs par photon absorbs

r. coefficient de rflexion : proportion de photon rflchis


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Sensibilit spectrale thorique

En pratique, et r dpendent de , la courbe relle est donc moins rgulire :

Sensibilit spectrale relle

Les diffrentes typologies des capteurs :

Les capteurs optiques peuvent tre classs comme tous les autres types de capteuren fonction

du critre actif ou passif mme si, l'exception des photo-rsistances, tous les capteurs

optiques sont du type actif.

Remarque : Les semi-conducteurs ont les mmes proprits. La diffrence entre les capteurs

provient de l'agencement spatial des composs et de la proprit physique exploit.

Les capteurs actifs sont caractriss par le fait qu'ils assurent une conversion d'nergie propre

du mesurande en nergie lectrique.

Les capteurs passifs sont des impdances dont l'une des proprits physiques du matriauconstituant le capteur est sensible au mesurande .
http://fr.wikipedia.org/wiki/capteurhttp://fr.wikiversity.org/wiki/Capteurhttp://fr.wikipedia.org/wiki/capteurhttp://fr.wikipedia.org/wiki/capteurhttp://fr.wikipedia.org/wiki/capteurhttp://fr.wikipedia.org/wiki/capteurhttp://fr.wikiversity.org/wiki/Capteurhttp://fr.wikipedia.org/wiki/capteur


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I) Capteur passif :

Cellules photoconductrices ( photo rsistante) : ou bien LDR (Light Depen-dant Resistor )

Une photorsistance est un composant lectronique dont la rsistivit varie en fonction de la

quantit de lumireincidente. On peut galement la nommerrsistance photo-

dpendante(light-dependent resistor (LDR)) oucellule photoconductrice.

Pourquoi un serpentin ?

La rsistance dune plaque conductrice de surface A et de largeur L est :

avec

R la rsistance du matriau

la conductivit du matriau qui dpend de l'clairement reu

L la largeur de la bande du semi-conducteur photo-sensible
http://fr.wikipedia.org/wiki/Composant_%C3%A9lectroniquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9sistivit%C3%A9http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8rehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8rehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8rehttp://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9sistivit%C3%A9http://fr.wikipedia.org/wiki/Composant_%C3%A9lectronique


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A la surface de la bande du semi-conducteur photo-sensible

Dans une photorsistance, dpend de lclairement reu.

Si la cellule est soumise une d.d.p U , elle est traverse par un courant I :

la grandeur mesure dans le cas d'une photo-rsistance est le courant de sortie. Il vrifie la loi

d'Ohms

U=RI d'o :

Ainsi pour avoir un courant I important, il faut avoir : A : grand et L : petit

La forme en peigne permet daccroitre la surface tout en maintenant la largeur faible .

Modlisation :

Photorsistance est quivalente une rsistance fixeR0enparallle avec une rsistance variable Rf avec le flux nergtique.

a dpendant en particulier du matriau, de la temprature et du spectre du rayonnement

ayant gnralement des valeurs comprises entre 0,5 et 1.

Dans ces conditions, la rsistance R de la photorsistance a pour expression :


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Principales caractristiques :

Temps de rponse : Elev (de l'ordre de quelques millisecondes).

Puissance: De l'ordre d'une centaine de milli-Watts.

Rsistance d'obscurit : De l'ordre du Mega-Ohms

Rsistance en mode clair : De l'ordre de la dizaine du kilo-Ohms

Temprature de fonctionnement: De -60 C +75 C

Utilisations :

allumage de l'clairage public

flash automatique des appareils photos

Dtection d'intrusion Jouets divers...

II) Capteur actif : Emetteurs

1) LED :

La diode lectroluminescente est une diode de jonction PN qui produit une lumire quand elle

est traverse par un courant circulant dans le sens normal ( polarisation directe). Sa dure de

vie est plus grande qu'une lampe ordinaire et elle chauffe moins. Elle fonctionne une plusbasse tension (environ 3 V) et a une faible consommation lectrique. Elle est maintenant trs

utilise pour l'clairage des habitations et depuis 1975 comme voyants lumineux dans les

appareils lectroniques.

Fonction :

Lorsqu'elle est passante, la diode lectroluminescente convertit une intensit de courant en

une lumire dune longueur donde (couleur) prcise (rouge, vert, jaune, bleu,).

Lorsqu'elle est bloque la diode est teinte. Les constructeurs prcisent la valeur de la tension

directe VF (VF = tension de seuil de la LED) et du courant IF ncessaire un bon

clairement.


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Caractristiques de la DEL :

Cathode K : patte la plus courte, cot plat, lectrode dont la surface est la plus grandeAnode A : patte la plus longue

Caractristiques lectriques :


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CouleurCe nest pas la couleur du botier qui fait que tel composant mettra dans cette

mme couleur mais la nature prcise du matriau semi-conducteur.

Les techniques de fabrication permettent dobtenir des diodes lectroluminescentes

mission super rouge, rouge, orange , jaune, verte et bleue et aussi infra-rouge.

Exemple :

Courant de commande :Cest la valeur du courant direct qui dtermine lintensit lumineuse du rayonnement.

Lintensit du rayonnement est sensiblement proportionnelle celle du courant direct.

L'intensit lumineuse :le constructeur donne une intensit lumineuse minimale pour un courant donn (LED

normale : 2 mcd pour 10mA), il existe des leds plus puissantes que l'on trouve sous la

terminologie : haute performnce (19mcd), ultra lumineuse (rouge 240 mcd) ou trs haute

luminosit (400 2000mcd). L'intensit lumineuse mise est fonction de l'intensit lectriquedu courant traversant la led.

Tension directe :Les diodes lectroluminescentes ont une courbe caractristique analogue celle

dune diode au silicium avec des seuils qui dpendent de la couleur :

1,1V pour les diodes infra-rouge

1,8V 2,2V pour les DELs rouges, jaunes et vertes

3,6V et plus pour les DELs bleues

Tension inverse :Polarises en inverses les DELs ne supportent pas plus de 5V.

Intrt de l'lment rsistif R plac en srie avec la DEL :

Cette rsistance permet de fixer l'intensit du courant traversant la

DEL IF une valeur proche de celle donne par la documentation

constructeur.


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La puissance lumineuse :

La puissance lumineuse fournie par une LED en Watt est :le flux lumineux est proportionnelle

au courant traversant la LED

Plumineuse=( Idiode/e).i.h

Avec Idiode le courant circulant dans la diode

ela charge lmentaire dun lectrons

i rendement interne de la diode

La tension de seuil dune LED peut sobtenir trs approximativement partir de sa couleur

dmission :

Useuil= Eg/q=h.c/q.

Rendement :

Flux des Photons mis :


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Brillance dune LED :


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Diagramme de rayonnement :

Le flux lumineux n'est pas homogne tout autour de la LED. La rpartition spatiale de la

puissance mise dpend de la forme de la diode LED.Cette rpartition est dfinie par le

diagramme de rayonnement qui reprsente la rpartition angulaire de l'intensit relative mise.

Exemple :

Angle d'mission mi-intensit

Les fabricants prcisent souvent

l'angle pour lequel l'intensit

lumineuse a t rduite de moiti.

Sur le diagramme ci-dessus, Pour la

diode A le point indique un angle de

10 degrs et pour la diode B le pointindique un angle de 50 pour une

intensit relative mise de 50%.

En gnral plus langle est petit plus le flux lumineux sera concentr

Complment :

Les LED blanches, l'clairage de demain

Les lampes diodes lectroluminescentes blanches sont appeles remplacer les ampoules

incandescence. Elles offrent une bonne qualit de lumire et autorisent d'importantes

conomies d'nergie.

COMMENT EMETTRE DE LA LUMIERE BLANCHE A PARTIR DE LEDS ?

Exemple de fabrication :

-Mlange de LED de couleurs diffrentes.

-LED bleue et phosphore (rsultat bleu avec jaune avec lil humaine presque blanc).

-autres mthodes


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2) Diodes LASER :

A) Dfinition : LASER est l'acronyme de l'expression anglaise Light Amplification by

Stimulated Emission of Radiatio quune n, qui signifie amplification de la lumire par

mission stimule de rayonnement . Un laser est donc avant tout un amplificateur delumire, qui repose sur un principe physique dcouvert par Einstein : lmission stimule.

Donc les diodes LASER peuvent mettre un rayonnement dans le domaine de linfrarouge

Longueur donde entre 0,8um 1,6um selon le matriau. Dans une diode LAZER, un photon

incident provoque la recombinaison dun lectron avec un trou qui gnre lmission dun

deuxime photon en phase avec le photon incident (lmission stimule).

La lumire mise par une diode LASER est dite cohrente. Cela signifie que :

- Cohrence temporelle : Les ondes mises possdent mme phase et mme longueur donde,la lumire mise est donc monochromatique.

- Cohrence spatiale : La direction de propagation des photons est unidirectionnelle.

On considre quune lumire est cohrente si la largeur spectrale est suffisamment troite et le

diagramme de rayonnement suffisamment directif. Alors une diode LASER est considre

comme cohrente, et celle dune LED incohrente.

Tous les types de LASER y compris les diodes lasers comportent deux lments :

- Un milieu amplificateur pour la lumire ce quon appelle amplification par missionstimule.

- Une contre raction optique qui consiste rinject une partie de la lumire dans

lamplificateur (un LASER sapparente donc un oscillateur) : elle est obtenue en plaant le

milieu amplificateur dans une cavit optique.

B) Principe de fonctionnement :

Pour comprendre le principe de fonctionnement du laser, il faut se replonger au niveau des

atomes.

i) Lmission stimule

Considrons un atome dans ltat excit : sil est seul, il va se dsexciter par mission

spontane et mettre un photon dnergie h :


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Par la suite, lorsque ce photon h rencontre un atome dj dans ltat excit, il va le forcer

se dsexciter en mettant exactement le mme photon

On a donc deux photons au lieu dun seul : la quantit de lumire est double. Ce processus se

rpte en cascade : chacun des photons ainsi mis va en produire deux autre, etc

En rptant de nombreuses fois ce phnomne, il est possible de crer une lumire qui est

compose de photons tous identiques, de mme couleur, mis en mme temps et dans la

mme direction comme s'ils taient la copie conforme les uns des autres : c'est la lumire

laser.

ii) Linversion de population

La seule dcouverte de l'mission stimule n'a cependant pas t suffisante pour crer des

lasers. En effet, dans la matire, les atomes, les ions ou les molcules sont beaucoup plusnombreux dans un tat non excit (ltat fondamental) que dans un tat exci t. Il n'est donc

pas possible de provoquer assez d'mission stimule pour produire de la lumire laser.

Il fallait trouver un moyen de renverser la tendance et d'obtenir dans le milieu plus d'atomes

(ou ions ou molcules) excits que d'atomes au repos. Ce processus est appel inversion de

population : obtenir l'inversion de population, c'est crer plus d'atomes excits que d'atomes

non excits.

Pour cela on utilise une source dnergie annexe (lectricit, lumire) pour placer un

maximum datomes dans un tat excit.( cest le POMPAGE do on a un milieux

amplificateur).

iii) Le milieu amplificateur

Comme on vient de le voir, on peut obtenir un milieu amplificateur en inversant la population

dun matriau donn. Il existe plusieurs types de milieux amplificateurs possibles :

Les gaz : lexemple le plus courant est le laser Hlium-Non

Les liquides , Les solides : On utilise beaucoup certains composs cristallins

Les semi-conducteurs : on peut raliser des lasers en utilisant comme matriaux des semi-

conducteurs ( base d Arsniure de gallium GaAs typiquement). On peut ainsi raliser des


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diodes laser de taille trs rduite qui ont un champ dapplication extrmement vaste (pompage

des lasers solides, tlcommunications). Ces lasers ont un fonctionnement un peu

particulier et nous ne les dcrirons pas dans ce cours.

iv) La cavit laser : lintrieur cest le milieux amplificateurs

La cavit permet, en effet, de rflchir au sein du milieu les photons mis, de manire ce

qu'ils provoquent leur tour une mission stimule (production de photons de

mme frquence, de mme phase et de mme direction de propagation que ceux du

rayonnement stimulateur). La longueur d'onde d'mission doit correspondre un mode propre

de la cavit (rsonateur) pour que puisse s'y installer un systme d'ondes stationnaires.

L'excitation ou pompage s'obtient notamment grce des photons d'nergie adquate

(pompage optique d Kastler), par des courants ou dcharges lectriques (cas entre autresdes diodes laser), ou par des ractions chimiques.

Le rendement d'un laser, rapport de la puissance optique dlivrable sur la puissance fournie

l'amplificateur est de l'ordre de 0,01 30% (50 % dans le meilleur des cas).

Les lasers impulsion font intervenir plusieurs modes qui interfrent (battements).

Familles de laser

Les lasers sont classs en cinq grandes familles, selon la nature du milieu excit : lasers

solide, lasers gaz, lasers semi-conducteurs, lasers liquide et lasers lectrons libres.
http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/frequence_3940/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/longueur-donde_4575/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-a-semi-conducteurs_4623/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-solide_4620/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-solide_4620/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-a-gaz_4622/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/matiere-1/d/semi-conducteur_3875/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-a-liquide_4621/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-a-electrons-libres_4624/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-a-electrons-libres_4624/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-a-liquide_4621/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/matiere-1/d/semi-conducteur_3875/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-a-gaz_4622/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-solide_4620/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-solide_4620/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser-a-semi-conducteurs_4623/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/longueur-donde_4575/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/frequence_3940/


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LASER semi-conducteurs :Laserdans lequel le milieu excit est un semi-conducteur. Le pompage (excitation) est obtenu

par le passage d'un courant lectrique. On peut viter d'installer une cavit optique. Le rsultat

est un laser trs compact (la partie mettrice est de l'ordre du micron), peu coteux fabriquer

et facilement contrlable par le courant lectrique.

C'est le type de laser le plus commun, que l'on trouve dans les lecteurs de DVD, lesimprimantes ou les pointeurs. A noter que les lasers semi-conducteurs sont aussi utiliss

comme excitateurs (on parle de pompage diode).

Description des dispositifs de pompage :

Pompage optique ce mode de pompage est principalement utilis dans les lasers solides

Pompage lectronique cette technique de pompage est utilise dans les lasers gaz

Pompage chimique ce mode de pompage est utilis dans les lasers chimiques Excitation lectrique cette technique de pompage est utilise dans les diodeslasers :

Dans un semiconducteur, le niveau de valence correspond au niveau bas et le niveau de

conduction correspond au niveau haut ; lapplication dune tension continue une diode

jonction permet de peupler la bande de conduction au dtriment de la bande de valence est de

raliser ainsi une inversion de population. La recombinaison des lectrons de la bande de

conduction avec les trous de la bande de valence qui suit provoque lmission de la lumire

qui samplifie grce aux rflexions sur les faces clives du semiconducteur. Un exemple type

de laser semiconducteur est le laser dont le milieu actif est compos de AlxGa1-xAs qui

rayonne dans linfrarouge.
http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser_1989/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/matiere-1/d/semi-conducteur_3875/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/maison-2/d/courant-electrique_10622/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/micron_5146/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/high-tech-1/d/dvd_2489/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/high-tech-1/d/dvd_2489/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/micron_5146/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/maison-2/d/courant-electrique_10622/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/matiere-1/d/semi-conducteur_3875/http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser_1989/


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III) Capteur actif : Rcepteurs

1) Photodiodes:Dfinition : Une photodiode :

Cest une Diode semi-conducteur produisant une variation du courant lectrique grce un

rayonnement lumineux incident.

A) Photodiode PN :

Fonctionnement :

La photodiode pn est, comme son nom l'indique, une jonction p-n, gnralement utilise enpolarisation inverse. Dans ce cas, les porteurs majoritaires sont bloqus par le champ

lectrique dans la zone de charge d'espace, et le courant rsulte donc du passage des porteurs

minoritaires travers la jonction .Le courant est dans ce cas limit par le faible taux de

gnration de porteurs minoritaires dans le voisinage de la jonction.

Pour une tension inverse suffisament importante, la hauteur de la barrire de potentiel

augmente donc le courant des porteurs majoritaire devient negligeable et seul subsiste lecourant I0 des porteurs minoritaires : cest le courant inverse Irde la diode. I0=Ir


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Effet photolectrique :

Pour une Photodiode sous l'action de la lumire, des paires lectron-trou peuvent tre gnres

dans le semiconducteur, si la longueur d'onde de la lumire est infrieure ou gale :

(VOIR PHENOMENE CHAPITRE 3)

Egap

Ce qui correspond une nergie de photons suprieure la largeur de la bande interdite.

Figure : Dtection de lumire l'aide d'une diode p-n polarise dans le sens bloquant

Donc on peut dire que :

Sil ya un Flux incident on aura

- cration de paires lectronstrous (effet photolectrique).

- sparation de ces porteurs par le champ E dans la zone de dpltion (ailleurs pas de champ

donc recombinaison).

-dplacement dans mme sens que les porteurs minoritaires.

-augmentation du courant inverse Ir.

Conclusion :

Sous leffet de la polarisation inverse le courant inverse augmente travers la jonction. Donc

on aura un courant inverse proportionnel lintensit de lumire et quasi -nul en labsence de

la lumire, car en ralit un faible courant existe mme dans lobscurit.

Le courant du leffet photolectrique est :

Iph=I =Ip= .()

P(x)= P0.exp(-x)le flux une distance x de la surface du matriau.


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Avec : P0= (1-R)Pi =(1-R) Nph.E/t(W/s)avec E= h.c/ si nous parlons cote energie. Avec Nph : nombre de photons incidents.avec Pi cest la puissance incidente.

Ou bien Pi = i = QL/t (lm) Cest le flux lumineux incidentsi nous parlons cote visuelle.

Donc on peut dire que W nest que le lm au niveau dnergie et linverse.

Et (1-R) dpend du coefficient de rflexion du milieu car il se peut que la photodiode

nabsorbe pas tout les photons (une partie sera rejet et une autre absorb ou bien transmis).

Avec R=12

1+2. Et n1 et n2 sont les les indices de rfraction de chacun des 2 matriaux.

Rappelle :

On a :

Et

= /

/=

/

coefficient dabsorption (en cm-1) qui dpend du matriau (de lnergie de la BI) et de la

longueur donde.Car Les photons sont absorbs dans le matriau suivant une loiexponentielle avec la profondeur.

En rappelle que la puissance incidente Pi=Nph.hcest lnergie lumineuse apport par

seconde au dtecteur.


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La sensibilit dune photodiode :

Le choix du semi-conducteur dtermine la gamme de longueur d'onde o le dtecteur peut

fonctionner. La sensibilit du dtecteur est un paramtre important pour l'utilisateur.

La sensibilit dune photodiode est donn par: S= Ip/Pi (A/W)

S() une fonction non linaire.

Exemple :

On constate que le silicium convient surtout pour les longueurs d'onde de 0,5 1 m, alors

que l'InGaAs peut tre utilis entre 0,9 et 1,7 m.

Modes de fonctionnement des Photodiodes :


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Avec Ip=.()

PourVd suffisamment petit et pour des clairements pas trop petits : Ir = Ip P(x)

Courant dobscuritI0de lordre du nA en mode photoconducteur

Temps de rponseApparition trs rapide du courant photolectrique sous flux : presque 10

-12s


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B) Photodiode PIN :

La photodiode PIN est un composant semi-conducteur de loptolectronique. Elle est utilise

comme photodtecteur dans de nombreuses applications industrielles. Sa particularit.

Une photodiode PIN est une photodiode compose d'une superposition de 3 zones de semi-

conducteurs :

Une zone P de porteurs positifs (trous) majoritaires.

Une zone I intrinsque non charges (trous et lectrons en mme nombre).

Une zone N de porteurs ngatifs (lectrons) majoritaires.


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Lintrt de la photodiode PIN est donc daugmenter artificiellement la taille de la ZCE.

Ainsi, la majorit des photons y est absorbe. De plus, cette rgion intrinsque tant pure

(99.99% pour le silicium), la vitesse des porteurs y est significativement augmente. En effet,

ces derniers ny subissent que trs peu de collisions du fait de cette absence dimpuret.

Ainsi une photodiode PIN a un meilleur rendement quune photodiode usuelle.

C) Photodiode avalanche :

Semblables aux photomultiplicateurs, les photodiodes avalanche sont employes pour

dtecter des intensits de lumire extrmement faibles. Les Si APDs sont employes dans la

gamme de longueurs d'onde de 250 1100 nanomtres, tandis que lInGaAs est employ

comme matriel semi-conducteur dans les APDs pour la gamme de longueurs d'onde partir

de 1100 1700 nanomtres.

PrincipeApplication dune tension inverse infrieure de qqes diximes de volts la tension de

claquage VB.

Les porteurs crs par effet photolectrique acquirent une nergie suffisante pour ioniser les

atomes de la zone de transition et crer une nouvelle paire lectrontrou. Raction en chane.

K dpend de la ralisation de la diode.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Siliciumhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Photodiodehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Photodiodehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Silicium


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2) les phototransistors :

Un phototransistor est un transistorbipolaire dont la base est sensible au rayonnement

lumineux ; la base est alors dite flottante puisquelle est dpourvue de connexion. Lorsque la

base nest pas claire, le transistor est parcouru par le courant de fuiteICE0

. Lclairement de

la base conduit un photo-courant Iphque lon peut nomm courant de commande dutransistor.

Celui-ci apparat dans la jonction collecteur-base sous la forme :

Pour simplifier, lorsque la base est claire le phototransistor est quivalent un interrupteur

ferm entre l'metteur et le collecteur et lorsque la base n'est pas claire, c'est quivalent un

interrupteur ouvert.

Le courant d'clairement du phototransistor est le photo-courant de la photodiode collecteur-base multipli par l'amplification du transistor. Sa raction photosensible est donc nettement

plus leve que celle dune photodiode (de 100 400 fois plus). Par contre le courant

d'obscurit est plus important.

On observe une autre diffrence entre phototransistor et photodiode : la base du

phototransistor est plus paisse, ce qui entrane une constante de temps plus importante .

Image dun phototransistor

La sensibilit du phototransistor est situ entre celle de la photodiode PIN et celle de la

photodiode avalanche. Cependant ce dispositif admet des inconvnients surtout sa constante

de temps qui trs lev (de lordre de 10-5 s).
http://fr.wikipedia.org/wiki/Transistorhttp://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Base_(%C3%A9lectronique)&action=edit&redlink=1http://fr.wikipedia.org/wiki/Collecteur_et_%C3%A9metteur_(%C3%A9lectronique)http://fr.wikipedia.org/wiki/Gain_(%C3%A9lectronique)#Gain_d.27un_transistor_bipolairehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_d%27obscurit%C3%A9http://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_d%27obscurit%C3%A9http://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_d%27obscurit%C3%A9http://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_d%27obscurit%C3%A9http://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_d%27obscurit%C3%A9http://fr.wikipedia.org/wiki/Gain_(%C3%A9lectronique)#Gain_d.27un_transistor_bipolairehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Collecteur_et_%C3%A9metteur_(%C3%A9lectronique)http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Base_(%C3%A9lectronique)&action=edit&redlink=1http://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor


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3) les photos coupleurs : Les photos coupleurs sortie transistor

Un photo-coupleur cre un lien optique partir dun matriau isolant transparent, dune DEL

infrarouge et dun photo-dtecteur dans un mme botier.

Lorsque la led est teinte le transistor est bloqu, et lorsque la led est aliment le transistor

conduit .Les photo coupleurs sont utiliss comme barrages photolectriques pour isoler la

partie commande (led) de la puissance (transistor) qui peut sont tour commuter de fortes

puissances ; ont dit aussi Isolation galvanique entre circuit de commande et de charge.

Les formules sont celles des LEDS et des Transistors

Les principales caractristiques des photo-coupleurs sont :

La tension de sortie : en fonction du type de transistors de sortie

La tension d'isolation : c'est la tension maximal provoquant un arc entre la led et le transistor

Le courant de sortie : dpend aussi du transistor ( de 30mA 150mA ) .

Il existe deux types de montage pour les photos-coupleurs :

1- la LED est parallle la surface rceptrice du transistor schma ci-dessus.

2- la surface mettrice et la surface rceptrice sont coplanaires de telle faon que le faisceau

de lumire subit une rflexion avant datteindre la photodiode ou la face rceptrice du

phototransistor.
http://etronics.free.fr/dossiers/analog/analog12.htmhttp://etronics.free.fr/dossiers/analog/analog20.htmhttp://etronics.free.fr/dossiers/analog/analog20.htmhttp://etronics.free.fr/dossiers/analog/analog12.htm


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4) Les cellules solaires :

La cellule photovoltaque est compose dun matriau semi -conducteur qui absorbe lnergie

lumineuse et la transforme directement en courant lectrique.

La production des cellules photovoltaques ncessite de lnergie, et on estime quune cellulephotovoltaque doit fonctionner environ 2 3 ans suivant sa technologie pour produire

lnergie qui a t ncessaire sa fabrication.

Principe de fonctionnement :

Une cellule individuelle, unit de base dun systme photovoltaque, ne produit quune trs

faible puissance lectrique, typiquement de 1 3 W avec une tension de moins dun volt. Pour

produire plus de puissance, les cellules sont assembles pour former un module (ou panneau).

Les connections en srie de plusieurs cellules augmentent la tension pour un mme courant,

tandis que la mise en parallle accrot le courant en conservant la tension. Le courant desortie, et donc la puissance, sera proportionnelle la surface du module.

Fonctionnement interne (voir les photodiodes et ses modes de fonctionnement)

Type des cellules :

Les cellules monocristallines :La premire gnration de photopiles ;

Un taux de rendement excellent (12-16%) (23% en Laboratoire) ;

Une mthode de fabrication laborieuse et difficile, donc trs chre ;

Il faut une grande quantit dnergie pour obtenir du cristal pur. ;

Les cellules poly-cristallinesCot de production moins lev ;

Procd ncessitant moins d nergie ;

Rendement 11-13% (18% en Labo) ;

Les cellules amorphes (cellules de calculatrices par exemple)

Cot de production bien plus bas ;

Rendement plus bas : 8-10% (13% en labo) ;

Dure de vie plus faible ;

Les cellules nanocristallinesUne des dernires gnrations de photopiles ;

Fonctionnent selon un principe qui diffrencie les fonctions d'absorption de la lumire et de

sparation des charges lectriques ;

Rendement global de 10,4 %, confirm par des mesures au laboratoire ;

Procd et cot de production encore plus bas.

Etude de la cellule photovoltaque :

La conversion dnergie met en jeu 3 phnomnes qui sont lis et simultans :

-absorption de la lumire dans le matriau.


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- le transfert dnergie des photons aux charges lectriques (voir chapitre 3).

- la collecte des charges.

A) absorption de la lumire :

Un rayon lumineux qui arrive sur un solide peut subir trois vnements optiques :-la rflexion : la lumire est renvoye par la surface de lobjet.

-la transmission : la lumire traverse lobjet.

-labsorption : la lumirepntre dans lobjet et nen ressort pas, elle restitue sous une autre

forme dnergie.

Absorption de la lumire :

I ( flux incident) = R ( rflchi) + A( absorb) + T(transmis)

Dans le cas de labsorption, lnergie subit une loi exponentielle dcroissante. Si Ein est

lnergie incidente, lnergie restante une profondeur d dun matriau est : E=Ein

Alors lnergie absorbe dans la profondeur d est : Eabs=Ein- Ein

Le coefficient dabsorption dpend du matriau et de la longueur donde de lnergie

incidente. Son unit et le cm-1

.avec d en cm.

Exemple : pour les cellules solaires.

- Silicium cristallin =4,5.103cm

-1Silicium amorphe =2,4.10

4cm

-1

Rflexion de la lumire:

La rflexion dpend des indices de rflexion des matriaux traverss. Plus la diffrence

dindice est leve plus la surface est rflchissante. Le taux de rflexion est donn par :

R=12

1+2


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Avec n1 et n2 les indices de contacts des matriaux. En pratique le silicium des cellules

solaire nest pas expos directement lair.

Exemple :

Model lectrique des cellules solaires :

Rendement dun module photovoltaque:

= Pmax/(E.S) avec Pmax=Vm.Im et E cest lclairement en W/m2 et S cest lasurface du module photovoltaque.

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