Agrégation/Capes > Leçons d'agrégation > Montage de physique n°15 (agrégation)

Montage de physique n°15 (agrégation) :
Photorécepteurs.

Transcription des notes manuscrites de préparation à l'agrégation. Les schémas et le détail des calculs sont dans le document original : télécharger le montage manuscrit (PDF, 3 pages).

Introduction

Les photorécepteurs transforment le rayonnement électromagnétique en signal électrique, donnant une information quantitative. Deux catégories : détecteurs photoniques (le photon absorbé excite un électron du matériau : effet photoélectrique interne, photodiode ou photorésistance ; externe, photomultiplicateur au niveau de la photocathode) et détecteurs thermiques (le photon absorbé élève la température, convertie en signal électrique : thermopile, détecteur pyroélectrique). Caractéristiques : sensibilité, sensibilité spectrale, rendement quantique, linéarité, temps de réponse.

Effet photoélectrique externe

Mise en évidence

Électroscope à plaque de zinc et lampe Hg BP. On le charge négativement : barreau d'ébonite frotté approché, doigt pour évacuer les charges positives, puis on retire le barreau (vérification : en approchant de nouveau le barreau, les feuilles se rapprochent). Éclairé par la lampe, l'électroscope se décharge ; en interposant une plaque de plexiglas, la décharge s'arrête. Chargé positivement (verre), il ne se décharge pas.

Le photomultiplicateur

Laser, filtres, photocathode alimentée en haute tension, résistance de charge et voltmètre. Envoyer d'abord un flux lumineux faible sur le PM avant d'augmenter progressivement la tension d'alimentation ; la puissance du laser fluctue beaucoup (erreurs). On vérifie la linéarité entre courant et éclairement grâce à des filtres neutres de densités connues, et que le courant de sortie varie de façon très non linéaire avec la tension d'alimentation.

Effet photoélectrique interne

Mise en évidence : gap d'un semi-conducteur

Chaque photon absorbé d'énergie suffisante crée une paire électron-trou ; QI, fente source, cristal semi-conducteur, PVD et écran : effet de filtrage, le cristal, transparent pour \(hc/\lambda < E_g\), devient opaque au-delà.

La photodiode

• Caractéristique courant-tension : GBF (100 Hz, 2 V, offset −1 V), photodiode et résistance, à l'oscilloscope en XY (\(V_{GBF} = V_d + RI\)) ; polarisée en inverse, le courant est proportionnel à l'éclairement ; en approchant une lampe, la caractéristique se translate verticalement vers le bas par rapport à celle d'obscurité.
• Linéarité en fonction de l'éclairement : vraie si le point de polarisation reste dans le cadran inférieur gauche (\(RI_{max} \le E\)) ; filtres neutres, \(\dfrac{I}{I_0} = 10^{-ND}\), soit \(\dfrac{V}{V_0} = 10^{-ND}\) : on trace \(\log V = f(\log I/I_0)\). La linéarité est limitée aux faibles éclairements par le courant inverse d'obscurité, qui n'est plus négligeable, et aux forts par l'échauffement de la diode ; prendre comme source des DEL alimentées en continu.
• Sensibilité et rendement quantique : le laser de puissance connue doit éclairer entièrement la photodiode (vérifier la linéarité, sinon ajouter un filtre). Sensibilité \(R = I/\Phi\) (quelques dixièmes d'ampère par watt) ; rendement quantique \(\eta = \dfrac{\text{électrons photo-induits}}{\text{photons incidents}} = \dfrac{I/e}{\Phi\lambda/hc}\) (de l'ordre de 9/10 à 633 nm).
• Temps de réponse : DEL alimentée en créneaux face à la photodiode, R = 10⁶ Ω : la tension présente des transitoires exponentiels dont on évalue τ (de 10 % à 90 %). En faisant varier R de 10² à 10⁶ Ω, τ est sensiblement proportionnel à R pour les fortes valeurs et insensible pour les faibles (transitoires de la DEL) : τ caractérise le circuit associé, bien plus long que le temps intrinsèque de la diode (ns). Pour R faible, accoler DEL et photodiode ; pour R grand, les éloigner pour que le signal reste inférieur à la tension d'alimentation.

Conclusion

Il existe aussi les photorésistances, dont la résistance diminue quand l'éclairement augmente (photoconduction). Les détecteurs thermiques, délicats à mettre en œuvre, n'ont pas été étudiés.

Remarques

• Classement des matériaux se chargeant facilement (triboélectricité) : ébonite, ambre, coton, soie, peau de chat, laine, verre, plexiglas, peau de lapin ; l'ébonite est un plastique à base de caoutchouc (soufre à l'intérieur).
• Qualités du photomultiplicateur : très sensible, bonne linéarité, réponse dépendant de \(\lambda\) ; aux petites longueurs d'onde il faut un rayonnement intense, aux grandes on est limité par le seuil photoélectrique.
• Photodiode et photopile : on ne travaille pas dans le même cadran de la caractéristique.
• Les défauts des récepteurs thermiques sont un long temps de réponse et une faible sensibilité.

Bibliographie

• Duffait, Expériences d'optique
• Sextant, Optique expérimentale