Copyright
© 2000-2015 LHERBAUDIERE


6 pages à l'impression
version initiale 2002
INFORMATION
dernière mise à jour
22 mars 2013
cliquez sur le mot avertissement ou information ci-dessus pour connaitre une info essentielle avant de lire ce module et n'hésitez pas à cliquer en bas de page sur l'icone sommaire du site ça vous ouvrira d'autres perspectives

CAPTEURS et DETECTEURS OPTIQUES

première partie (1/4): les capteurs photoniques

limitations
un tableau
l'effet le plus exploité
les cellules solaires
ou photoélectrique externe
une application de la photoémissivité
une collection d'icônes pour visiter tout le site
Introduction

Les photons, visibles ou non, émis par notre soleil produisent la plus importante source de radiation de notre planète. L'évolution, au cours des âges, de la rétine de notre œil a conduit à un réseau de détecteurs optiques capables de percevoir une petite quantité de photons. Au cours du vingtième siècle la technologie a progressivement approché cette sensibilité de l'œil grâce au développement et au perfectionnement d'émulsions photographiques, de tubes vidéo intensifieurs et de dispositifs à transfert de charge.

Depuis la découverte par Shockley, Bardeen et Brattain du transistor en 1947, les recherches sur les structures de bande et les effets de transport dans les semiconducteurs se sont développées et ont débouché sur un ensemble de dispositifs détecteurs de photons visibles et/ou infra rouge dont les applications pratiques sont quasi infinies.

Il n'y a pas un jeu unique de caractéristiques pour définir le détecteur optique idéal, cependant nous insisterons sur le minimum de puissance détectable défini comme étant la fluctuation statistique d'un flux de photons arrivant sur sa surface. Tous les détecteurs sont soumis à une influence thermique (absorption et réémission) et, par suite, la limite de signal détectable sera celle de séparation entre un signal lié quantitativement au nombre de photons incidents et le bruit d'origine thermique, dont on peut dire qu'il a une distribution radiative de type Poisson, et donc est proportionnel à la racine carrée du nombre de photons réémis. Cette limite est incontournable, et s'y ajoutent les limites des systèmes d'extraction de l'information, constitués d'intégrateurs ou de préamplificateurs.

Nous allons examiner tout d'abord les procédés de détection de photons les plus courants, puis quelques applications seront précisées et nous finirons par un court aperçu du traitement d'image qui constitue le domaine d'avenir le plus prometteur des détecteurs optiques.

Description phénoménologique des processus de détection


Les radiations électromagnétiques peuvent interagir avec la matière de différentes façons. On peut classifier ces actions en termes d'effets photoniques, thermiques et ondulatoires. Dans la première catégorie, les photons agissent directement sur les électrons du matériau. Comme ces électrons peuvent être liés aux atomes du réseau, ou à des atomes d'impuretés ou au contraire être libres, une grande variété d'interactions est possible. La seconde catégorie est caractérisée par la modification de certaines propriétés de la matière, résultant de l'augmentation de température provoquée par l'absorption de radiations. La troisième catégorie d'effets est basée sur l'interaction entre le champ électromagnétique, lié aux photons, et la matière, dont il résulte des changements de certaines propriétés internes du matériau.

photoconductivité
(intrinsèque, extrinsèque,
micro-onde)		 Effet photovoltaïque
(jonction p-n, barrière schottky, hétérojonction)		 Effet photoélectromagnétique
interaction de porteurs libres (phonon drag,
bolomètre à électrons chauds) 		interactions localisées (compteur quantique à IR,
film photographique)		 photoémission
(photocathode, photomultiplicateur)

Le tableau ci-dessus donne une vue d'ensemble des effets photoniques exploitables
Ces trois types d'effets sont évidemment simultanés dans la matière, mais il se trouve qu'en choisissant bien le matériau et en réalisant un certain arrangement expérimental ou technologique, on va exacerber un type d'effet par rapport aux autres ce qui conduira aux applications pratiques.

photoconductivité


C'est l'effet le plus exploité. La radiation modifie la conductivité du matériau qu'elle rencontre. Cet effet est exploité principalement dans les semiconducteurs


Le phénomène dit intrinsèque (fig.a ci-dessous) implique l'excitation d'une paire électron - trou du matériau par le photon incident, ce qui implique (Einstein) que l'énergie du photon h > Eg la largeur de la bande interdite du matériau. Dans le cas d'un semiconducteur extrinsèque (fig.b), c'est à dire convenablement dopé, l'énergie suffisante est évidemment réduite, ce qui élargit considérablement la plage de longueurs d'onde susceptibles de produire un effet photoconducteur.

..

Le tableau donne, pour divers matériaux intrinsèques, les limites de longueurs d'ondes efficaces. Indiquons, à titre d'exemple, que le dopage du germanium par de l'or repousse cette limite à 8.3µm, et même à 120µm avec du bore. Il en est de même pour le silicium dont la limite de détection peut être élevée à 23µm avec un dopage à l'arsenic et 29µm avec de l'antimoine.

Cependant il convient de noter que le rendement d'absorption et de création subséquente de paire électron - trou est très inférieur à 1. Eu égard à la faible durée de vie des porteurs minoritaires dans un semiconducteur extrinsèque, seuls les porteurs majoritaires seront pris en compte.

En pratique, le courant (en circuit ouvert, ou plutôt en court circuit) généré par ce processus est
i = hq NlG

  • où est l'efficacité quantique, c'est à dire le nombre de porteurs en excès produits par photon absorbé,
  • q la charge de l'électron,
  • Nl le nombre de photons de longueur d'onde absorbés par unité de temps
  • et G le gain photoconductif représentant le rapport entre la durée de vie d'un porteur et le temps de transit dans la longueur de l'échantillon.

effet photovoltaïque



A la différence du précédent, cet effet requiert une barrière de potentiel pour se manifester. En pratique, donc, on réalise une jonction p-n dont la caractéristique essentielle est d'être très dissymétriquement dopée et surtout d'avoir une zone n de très faible épaisseur, de telle sorte que la zone de charge d'espace se situe très près de la surface, afin d'obtenir un rendement maximum.

.

La relation donnant le photocourant (en circuit ouvert) est celle vue précédemment, mais avec ici un gain unitaire puisque tous les porteurs générés vont franchir la barrière.

Comme dans une jonction p-n le courant direct s'exprime selon la relation Id = Is [exp(qV/kT) - 1] on peut en déduire la pente à l'origine 1/R = dI/dV pour V=0 où R représente la résistance dynamique et vaut kT/qIs ce qui, introduit dans l'expression du photocourant, nous permet d'exprimer la tension en circuit ouvert V0.
V0 = PlkT / hcIs, où Pl représente la puissance monochromatique reçue.
Afin d'optimiser le rendement, en particulier pour les capteurs solaires, diverses structures photovoltaïques ont été étudiées, en particulier des structures dites à hétéro jonction GaAs - Ga1-xAlxAs afin d'obtenir un gap plus large, mais actuellement les structures en couches minces de silicium amorphe dopé à l'hydrogène semblent conduire à des coûts de fabrication tellement faibles que l'on préfère privilégier la surface plutôt que le rendement de conversion.(voir chapitre cellules solaires photovoltaïques).

effet photoémissif

Le troisième effet photonique est l'effet photoémissif, encore appelé effet photoélectrique externe. Dans ce cas, l'irradiation va entraîner l'émission d'un électron à partir de la surface (qu'on appellera une photocathode) vers l'extérieur. Cet électron sera récupéré par une électrode convenablement polarisée (anode).

La figure ci-dessous donne le diagramme de l'effet photoémissif, dans le cas d'un métal et dans celui d'un semiconducteur dont la photocathode possède une affinité positive pour les électrons. L'intérêt du semiconducteur est que l'énergie nécessaire pour arracher un électron est inférieure à celle pour un métal, et en conséquence, la sensibilité est étendue vers de plus grandes longueurs d'onde, mais la limite est quand même le très proche infra rouge.


Par contre, les travaux de Van Laar ont montré qu'il était possible de recouvrir la surface du semiconducteur de type p avec une très fine couche d'un matériau dont l'énergie nécessaire pour extraire un électron était bien moindre, ce qui conduit à un ensemble ayant une affinité électronique négative.


Fig.Cas d'une affinité électronique négative.

Dans ce cas l'énergie du photon ne doit que simplement excéder la largeur de la bande interdite du semiconducteur. En pratique on n'arrive cependant pas à obtenir cet effet photoémissif au delà de 1µm, car le gain d'émission décroît très vite quand la longueur d'onde augmente.

photomultiplicateur

La principale application de l'effet photoémissif est le photomultiplicateur d'électrons


Fig. courbe de réponse typique d'une photocathode et exemples de photomultiplicateurs d'électrons

La première photocathode est généralement recouverte d'une couche de Cs-Sb ce qui implique une énergie des photons supérieure à 1.4eV (1eV pour le semiconducteur et 0.4eV pour la work function du Cs3Sb). En fait, comme le montre la courbe, le rendement n'est significatif que pour des énergies supérieures à 3eV.

Par contre le rendement d'émission des dynodes est lui généralement compris entre 2 et 4, ce qui avec 10 étages procure un gain de 410 , soit environ 106.