Spé physique – Chapitre structure et propriétés des matériaux

Titre QUEL PHOTORECEPTEUR POUR MA FIBRE OPTIQUE ? Type d'activité Activité documentaire et expérimentale

Objectifs de l’activité

Comprendre les caractéristiques des récepteurs photovoltaïques

Références par rapport au programme

Thème 3 : « matériaux »

Sous thème « Structure et propriétés » Mots clefs : Conducteurs

 Semi-conducteurs  Photovoltaïques

Classe de terminale S : ENSEIGNEMENT de SPECIALITE Notions et contenus :



Conducteurs,



Semi-conducteurs



Photovoltaïques

Compétences scientifiques évaluées



Extraire et exploiter des informations utiles



Recherche des mots clés et compréhension de l’énoncé



Rédiger à l’aide de phrases complètes.



Raisonner.

Conditions de mise en œuvre

Prérequis : Loi d’ohm Durée : 2h

Contraintes matérielles : voir liste

Source



http://wikipedia.



Extrait de notice

- stroboscope utilisé MT4613 Pierron

- notice de la photodiode BPW34: Vishay Semiconductors Auteur Nicolas HERGOTT Lycée Lacassagne Académie de LYON

Nicolas Hergott – Lycée Lacassagne – TP de spécialité 2012

Liste du matériel : - Photorésistance

- photodiode BPW34 - Générateur continu

- Dipôle ohmique de quelques kΩ - Carte d’acquisition

- Stroboscope

Etude expérimentale de photorécepteurs

Doc.1. D’après Wikipédia

Une photorésistance est un composant électronique dont la résistivité varie en fonction de la quantité de lumière incidente.

Au-delà d'un certain niveau d’énergie, les photons absorbés par le semi-conducteur donneront aux électrons liés assez d'énergie pour passer de la bande de valence à la bande de conduction.

Les électrons libres ainsi produits abaissent la résistance du matériau.

Avantages : Faible coût. Facilité de mise en œuvre. Sensibilité élevée.

Inconvénients : La vitesse de variation de R avec l'éclairement est faible et non symétrique.

D’où une bande passante limitée.

Doc.2. D’après Wikipédia

Comme beaucoup de diodes en électronique elle est constituée d'une jonction PN. En absence de polarisation (appelé mode photovoltaïque)

elle crée une tension. En polarisation inverse par une alimentation externe (mode

photoampérique), elle crée un courant. Lorsque les photons pénètrent dans le semi-conducteur munis d’une énergie suffisante, ils peuvent créer des photoporteurs (électrons et trous d'électrons) en excès dans le matériau.

On observe alors une augmentation du courant.

Doc.3. Extrait de la notice du stroboscope utilisé dans cette expérience MT4613 Pierron :

« la durée des éclairs est comprise entre 60 et 100 µs ».

Nicolas Hergott – Lycée Lacassagne – TP de spécialité 2012

Doc 4. Etude d’une photorésistance :

Une photorésistance est placée aux bornes d’un générateur continu (tension de quelques volts), en série avec un dipôle ohmique de quelques kΩ. A l’aide d’une carte d’acquisition on mesure au cours du temps la tension aux bornes du dipôle ohmique lorsque des flashs de stroboscope sont envoyés sur la photorésistance. Voir les résultats ci-dessous (la courbe rouge est une modélisation mathématique de l’un des créneaux de la courbe expérimentale).:

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Doc 5. Etude d’une photodiode BPW34 en

polarisation inverse (voir schéma ci-contre), sur laquelle on envoie des flashs stroboscopiques. L’intérêt de ce montage est que la tension V

obtenue est proportionnelle à l’éclairement.

On représente ci-dessous l’évolution de la tension V

au cours du temps lorsqu’un flash de stroboscope parvient sur la photodiode.

Nicolas Hergott – Lycée Lacassagne – TP de spécialité 2012

BPW34 is a photodiode with high speed and high radiant sensitivity in miniature, flat, clear plastic package.

Typical Reverse light current with Ee = 1 mW/cm2, λ = 950 nm: 50 µA.

Questions:

Les photorésistances et les photodiodes peuvent être utilisées pour la transmission de signaux par voie optique (par exemple avec des fibres optiques). Cette étude permet de tester

expérimentalement des caractéristiques importantes pour cette transmission.

1. Rechercher le sens des termes « bande passante » (doc.1) et “jonction PN” (doc. 2).

Etude du document 4 :

2. Faire un schéma électrique du montage utilisé.

3. La durée des flashs de stroboscope est-elle visible à cette échelle de temps ? 4. Expliquer l’évolution de la tension au cours du temps et faire le lien avec une

information donnée dans le document 1.

5. Evaluer un ordre de grandeur de la bande passante de cette photorésistance.

Etude du document 6

9. Comment se nomme la gamme de longueurs d’ondes à laquelle la photodiode est particulièrement sensible ?

10. Pourquoi la résistance R utilisée dans ce montage ne doit-elle pas être trop faible ?

Nicolas Hergott – Lycée Lacassagne – TP de spécialité 2012