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Introduction a l’optoélectronique

Généralités

La lumière est la source principale de la vie, elle est la source principale de l’énergie de la nature sans elle la vie n’est pas possible. Il existe rois théories pour décrire sa nature:

  • La théorie de Newton dit que la lumière se propage de façon rectiligne et à grande vitesse.
  • La théorie des ondulations soutient que la lumière consiste à l’énergie propagée dans un milieu sous forme d’onde électromagnétique. C’est ce qui expliquerait le phénomène de réflexion ou de réfraction et d’interférence.
  • La théorie corpusculaire dit que la lumière est composée de particule d’énergie appelée photon.

Dans les trois théories une constante apparaît h=6,62×10-34 ; c=6×108 ; E=hv
h: constante de Planck
v: fréquence de l’onde.


Spectre électromagnétique

L’optoélectronique est la science qui associe l’optique à la technologie de l’électronique. Elle est très récente (1960). La découverte de la technologie des semi-conducteurs et des LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) a permis à l’optoélectronique de passer de la théorie à la pratique.
A l’optoélectronique on se soucie à la partie du spectre optique qui se situe de l’ultra violet à l’infrarouge en passant par le spectre visible. Le rayonnement d’une source lumineuse se définit comme une émission de particule comportant plusieurs radiations élémentaires. Si on envoie sur un prisme de vers un rayon lumineux on distingue une décomposition, ce dernier en différentes allant du violet au rouge.

  • Une lumière est dite monochromatique lorsqu’elle n’est constituée d’une seule radiation.
  • Une lumière complexe se disperse grâce au phénomène de la dispersion en plusieurs lumières monochromatique.

Le spectre électromagnétique est formé de trois parties:

  • Les ondes ultraviolettes
  • Les ondes visibles
  • Les ondes infrarouges

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On utilise l’infrarouge dans beaucoup d’application telles que les alarmes, la communication, la médecine.


Quelques définitions

  • Flux lumineux: c’est la quantité de lumière émise par unité de temps, il est exprimé en lumen (lm) ; ø=QL/t
  • Eclairement lumineux: c’est le rapport entre le flux lumineux émis par une source et l’air de la surface qui reçoit ce flux. Il est exprimé en lux (lx) ; E=ø(lm)/S(m2)
  • Intensité lumineuse: c’est le rapport entre le flux lumineux ø d’une source qui illumine une surface dans une direction donnée et l’angle solide de la source avec l’aire de détection, la source étant un point.

Angle solide: angle ayant son sommet au centre d’une sphère et découpant sur sa surface une aire égale à celle d’un carré qui aurait pour côté le rayon de la sphère exprimé en stéradian (str)


Composants de l’optoélectronique

Les photoémetteurs (Diode Electroluminescente: DEL ou LED)

Les DEL émettent une radiation électromagnétique lorsqu’elles sont polarisées en direct. Leur longueur d’onde d’émission dépend du matériau. Leur usage est très rependu et leur principaux avantages sont basse température de fonctionnement haute stabilité mécanique insensibilité aux vibrations et au choc, faible consommation, compatibilité TTL

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Matériau de fabrication des DEL est Arséniure de gallium

Application:
Pour les DEL infrarouges, elle veut être photo émetteur pour les barrières mobiles, les photo coupleurs.
Pour les LED éléments d’affichage numérique.

Les photorécepteurs

Il est nécessaire de donner des paramètres afin de comprendre la compréhension de la suite:

  • Courant d’obscurité (Dark current): C’est le courant qui circule à travers la photo réceptrice dans l’obscurité, on le note ID
  • Courant lumineux (light current: IL): courant qui circule à travers le photo détecteur exposé à l’énergie rayonnante.
  • Photo courant: Courant dû à l’effet photo électrique, soit la différence entre le courant lumineux et courant d’obscurité IP=IL-IP
  • Tension direct (foward voltage) C’est la tension aux bornes de la diode semi conductrice lorsque la diode P est à un potentiel positif par rapport à N

Photodiode

Certains matériaux semi-conducteurs sont appelés des éléments photo résistifs (le silicium, le germanium). Ils sont fabriqués selon des méthodes identiques à celle utilisées pour les semi-conducteurs en particulier le type à jonction. Si cette jonction est de type PN et si N est polarisée en inverse, on aboutit à une application particulière de ce matériau:

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La photo diode fournie un courant qui est fonction de l’éclairement incident. Ce courant n’est pas linéaire et le temps de réponse est rapide

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Applications de la photo diode

Lecteur de carte perforée, détecteur d’infrarouge, récepteur optique.


Phototransistor

Les phototransistors sont les transistors silicium avec une jonction base-collecteur agrandie et accessible à la lumière. Le mode de fonctionnement correspond à celui d’une photo diode suivie d’un transistor monté entre le collecteur et la base. Les phototransistors sont plus sensibles, deux facteurs égaux gain en courant que les photodiodes les moins rapides et moins linéaires.

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Photo résistance

Une photo résistance est constituée par un semi-conducteur donc la résistance diminue proportionnellement au nombre de photon reçu. Sa résistance d’obscurité est très élevée. Les photos résistances sont populaires grâce à la diversité des matériaux utilisés.

Applications

Contrôle de lumière de rue, détecteur de flamme, détecteur d’éclairement dans les appareils électriques.

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Remarque

  • Plus l’éclairement incident est élevé plus la résistance de la cellule baisse.
  • Tout matériau semi-conducteur possède cette propriété photo résistive.

La longueur d’onde appropriée agite les paires électrons trou du matériau impliquant une possibilité de changement de conducteur.


Les photos-coupleurs

Un photo coupleur est un composant optoélectrique qui transmet des informations logiques ou analogiques sous forme de signal électrique via une zone optique qui isole électriquement l’entrée de la sortie.
Il constitue un relais ou un transformateur statique ou dynamique en isolant l’entrée et la sortie du point de vue composant continue.
En attaquant l’entrée par injection de courant, la source lumineuse émet des photons, ils sont canalisés par une voie optique qui constitue le couplage avec l’élément de sortie. Il fournit un courant IS proportionnellement à l’éclairement EV de l’émetteur qui est lié au courant injecté à l’entrée.

  • Le tau de transfert est le rapport entre l’intensité de sortie IS, l’intensité d’entrée Ie
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  • La capacité en l’entrée et la sortie est de l’ordre de PF à 1MF
  • La résistance d’isolement entre l’entrée et la sortie est comprise entre 1010 et 2013
  • La tension de claquage se situe entre 2KV et 10KV

Photo-coupleur diode-diode

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Photo-coupleur diode-transistor

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C’est le type le plus répandu, il ne présente 80% à 85% de production. La DEL est au silicium et émet en infrarouge avec une grande efficacité. En sortie un transistor à gain élevé permet d’obtenir un rapport de transfert de 50 et 300% avec un bruit acceptable.

Photo-coupleur diode photorésistance

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28 novembre 2021
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