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Submitted on 1 Jan 1928
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Etude des propriétés des cellules photoélectriques Fournier
R. Dubois
To cite this version:
R. Dubois. Etude des propriétés des cellules photoélectriques Fournier. J. Phys. Radium, 1928, 9
(10), pp.310-336. �10.1051/jphysrad:01928009010031000�. �jpa-00205348�
ETUDE DES PROPRIÉTÉS DES CELLULES PHOTOÉLECTRIQUES FOURNIER
Par M. R. DUBOIS, Ingénieur E. P. C. I.
Sommaire. 2014 Les cellules Fournier sont constituées par un dépôt cristallisé très mince de sulfures métalliques dont la résistance varie avec l’éclairement. Leurs propriétés
sont différentes de celles du sélénium, en particulier elles peuvent être utilisées pour des éclairements modulés à des fréquences très élevées (ultra-sonores) et de plus leur sensibi- lité s’étend dans le visible et le proche infra-rouge de ), = 0,5 03BC à 03BB = 1,3 03BC.
Leurs propriétés sont très complexes : l’étude du courant d’obscurité, de l’influen ce
d’un éclairement antérieur, de l’effet d’une tension continue, puis de tensions inversées et enfin d’une tension alternative sur ces cellules apporte de nombreux faits expérimentaux
concernant le mécanisme suivant lequel la lumière modifie la résistance de ces couches cristallines.
Une théorie rendant compte des faits décrits et tentant de donner une explication simple de la photoconductivité dissymétrique, est proposée et discutée.
Pour terminer, quelques applications sont indiquées av ec les précautions qui résulte nt
des propriétés très spéciales des cellules Fournier.
La présente étude a été entreprise dans le but de préciser les conditions d’emploi des
cellules Fournier dont nous avions besoin pour des mesures de photocolorimétrie.
Les résultats obtenus ont été si intéressanl s au point de vue théorique que nous avons
pensé qu’il était utile de les faire connaître, car ils fournissent des renseignements nouveaux
sur l’action des radiations lumineuses sur la matière. Nous nous excusons des lacunes qui
se présenteront au cours de ce travail, certaines parties nécessiteraient une exploration plus complète, mais nous avons d’abord cherché à réunir les éléments expérimentaux permettant
de comprendre l’ensemble des propriétés particulières de ces cellules.
D’autre part, nous ne présentons ici qu’un résumé relativement succinct des résultats
obtenus; bien que plusieurs cellules aient été étudiées en détail, nous ne donnons que les courbes principales relevées sur l’une d’entre elles, les autres résultats étant en accord avec
ceux que nous décrivons.
1. Généralités sur les cellules Fournier. - Les cellules Fournier (1) constituent des résistances variant sous l’action des radiations de longueur d’onde comprise entre 0,5 [J. et 1,3 ¡J.. Elles se présentent sous la forme d’une ampoule vide d’air contenant un disque
de quartz maintenu entre deux pièces d’aluminium servant d’électrodes. Sur le quartz se
trouve la couche sensible qui est un dépôt cristallisé dont la composition et le mode de prépa-
ration sont jusqu’ici tenus secrets par les constructeurs.
Des électrodes de plomb pur assurent le contact entre la couche sensible et les supports
du disque.
Le cliché ci-contre (lig. 1) représente leur aspect extérieur. La résistance de ce-, éléments dans l’obscurité est très grande, de l’ordre de 100 mégohms et il est recommandé de ne pas leur appliquer de tensions supérieures à 40 volts, car elles sont généralement altérées par les tensions élevées qui donnent lieu à de fortes variations de résistance, comprenant une
diminution lente très marquée et des fluctuations distribuées au hasard dans le temps.
2. Propriétés des cellules Fournier. - Le phénomène fondamental est que leur résistance décroît sous l’action de la lumière. L’illumination produit immédiatement une
diminution très rapide de la résistance : il n’y a pas de retard entre la cause et le début de
l’effet, mais on n’obtient pas aussitôt une valeur définitive de la résistance : celle-ci continue à décroître lentement pendant fort longtemps.
(t) Les cellules Fournier sont construites industriellement par la Société CE-NIA, qui nous a iourni les cellules utilisées dans ce travail.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01928009010031000
La relation entre la résistance, l’éclairement et le temps a été le premier point que notas ayons cherché à préciser. Nous avons immédiatement constaté que les résultats dépendaient beaucoup du mode opératoire, ce qui nous a permis de découvrir une forte influence du passage du courant sur les propriétés de la cellule.
Nous avons donc tenu à préciser d’abord l’influence des différents paramètres sur le
courant d’obscurité.
Fig, L - Cellule l-ournier, petit modèle. Cellule Fournier, grand modèle.
3. Etude du courant d’obscurité : fatigue due au courant ou fatigue élec- trique. - Une cellule étant conservée dans l’obscurité, peut-on considérer sa résistance
comme définie?
L’expérience indique que non, car le courant qui traverse la cellule inodifie profondé-
Fig. 2.
-Schéma de montage de mesure du courant photoélectrique.
ment la résistance. Nous verrons que, pour une cellule qui est depuis longtemps dans l’obscurité, la résistance diminue avec le temps et cela d’autant plus que la tension appliquée
est plus grande. Il en résulte que la loi d’Ohm n’est pas applicable, même à un instant
donné : la croissance du courant en fonction de la tension est plus rapide que la simple proportionnalité.
Pour cette mesure le dispositif expérimental est très simple : on constitue un circuit en
fil très bien isolé comprenant une pile de 0 à 45 volts, un galvanomètre, un inverseur et la
cellule protégée par une enveloppe métallique épaisse qui arrête tout rayonnement lumi-
neux (fig. 2).
Pour étu’der l’influence de la durée, on trace la courbe i = f (t) à tension constante.
La figure 3 représente une des courbes relevées dans ces conditions sur me cellule conservée dans l’obscurité depnis plusienrs semaines.
La croissance est d’allure parabolique. lln’a pas été possible jusqu’ici de préciser s’il y avait asymptote Cela semblerait probable, parce que nous verrons plus loin que, lorsque
la cellule a subi un fort éclairement préalable, on peut observrer une décroissance prolongée
du courant avec le temps. Cependant, des essais suivis pendant plusieurs semaines sur la
même cellule, ont donné une croissance de plus en plus lente, mais ne semblant pas tendre
vers une valeur asymptotique rapprochée.
L’emploi d’une tension moindre diminue beaucoup.la vitesse de croissance du courant
Flg. 3.
-Fatigue électrique. (Cellule 43 sous 45 volts.)
d’obscurité, c’est une des raisons qui incitent à ne pas exagérer la tension appliquée. Un
autre fait expérimental très important et d’un intérêt théorique considérable est, que la résistance cellule n’est pas la même dans les deux sens. De plus, la diminution de résistance due à un passage de courant dans un sens, quelque grande qu’elle puisse être, ne
modifie pas n ppréeiablement la résistance pour le courant traversant la cellule en sens inverse. Tout se passe comme si les trajets suivis par les courants pour chacun des deux
sens Ce phénomène nous a conduit à une conception nouvelle du inécanisme des variations de résistance des cellules, que nous exposerons plus loin.
La courbe de la fig. 4 montre un exemple de la variation du courant sous 45 volts en
fonction du temps. A l’instant ti, après 10 minutes, on inverse les connexions de la cellule.
Le courant, qui avait atteint 4,5~A, tombe à - et commence à croître suivant la même loi. A l’instant t~. une nouvelle inversion montre que, pendant la durée de l’inversion, l’effet du premier passage s’est effacé partiellement.
L’augmentation de conductibilité due au passage du courant disparaît lentement suivant
une loi probablement exponentielle fort lente. Il faut des durées de plusieurs heures pour se
rapprocher de l’état initial, ce qui indique une modification réversible profonde de la
matière. Pour la clartf; de l’exposé, j’appellerai ce phénomène : la fatigue due au courant ou fatigue électrique. Ces phénomènes fondamentaux compliquent singulièrement l’étude de l’action de la {ornière sur les cellules de ce genre, puisqu’il n’est plus possible de considérer
simplement la conductibilité comme une fonction de l’éclairement seul.
-
(Cellule i3 sous 4~; volts.)
4. Disparition de la fatigue.
-Nous allons étudier comment s’efface la fatigue élec- trique, c’est-à-dire l’augmentation de conductibilité due à un fonctionnement prolongé sous
courant continu. La figure 5 donne les résultats relevés sur la cellule n° 43 sous 27 volts.
Dans la partie A B de la courbe (entièrement relative à l’obscurité), la tension de
~7 volts appliquée à la cellule donne lieu à un courant initial de micro-ampère
(Ro === 650 mégohms) qui augmente constamment et atteint eit 2 heures (~ _-_ 27/3,2
8,~ mégohms environ). Ceci démontre l’impossibilité de parler d’une résistance d’obscu-
rité en courant continu pour ce type de cellule. Dans la courbe BC, on a représenté les
valeurs prises par le courant lorsqu’on fermait le circuit, normalement ouvert, toutes les
10 minutes jendant 5 secondes. Cette courbe indique comment disparaît dans l’obscurité et sans tension appliquée, l’effet de fatigue dû au courant continu. Cette disparition est égale-
ment exponentielle mais plus rapide que la.courbe de la fatigue d’apparition.
3. Etude des effets de la lumière.. - Lorsqu’on soumet une cellule à un éclairement
brusque, en employant le montage de la fige ?, on observe une augmentation immédiate du courant à travers la cellule; dès qu’on intercepte le flux lumineux, une diminution survient,
mais pendant l’éclairemént l’augmentation du courant n’a pas une valeur définie : elle con-
tinue lentement pendant si longtemps que même après plusieurs semaines aucune valeur asymptotique n’a été atteinte. Cet effet es dû principalement au passage du courant continu,
comme uous le prouverons plus loin, tout au moins pour les radiations infra-rouges. La
diminution produite par la disparition de l’éclairement est toujours inférieure à la valeur
F’ig. J.
-Fatigue électrique et sa vitesse de disparition. (Cellule 43 sous 2 i v olts.)
totale de 1°augmentation, de sorte que l’on retombe sur une conductibilité d’obscurité plus, grande que celle qui précédait l’illumination.
La fit.£. 6 donne un résumé typique des phénomène
De A à B la cellule est maintenue dans l’obscurité : le courant io croît lentement
(fatigue électrique).
En on applique sur la cellule un éclairement de 8 lux (lampe à incandescence au
tungstène, type demi-watt). Le courant croît instantanémentde 0,26 (LA à puis continue
à croître suivant une loi exponentielle lente. Au bout de 3 minutes, il atteint 3 micro-ampères.
On éteint b lampe. Le courant tombe aussitôt à 0,66 {J.A et décroît ensuite lentement suivant
une loi exponentielle; après 2 minutes, il atteint 0,4 ¡lA.
On pourrait croire que cela implique l’existence d’une valeur asymptotique de l’ordre
de 0,3 ¡J.:. pour le courant d’obscurité, mais il n’en est rien car après il éclairement le courant baisse lentement, passe par un minimum, puis augmente par fatigue électrique (phénomène
non représenté dans cette courbe).
En 1’>, un éclaire de nouveau la cellule sous X lux. Il apparaît alors un courant qui
atteint de-! valeurs plus élevées que la première fois. Ge fait est général. En méme temps
que le courant d’obscurité croit, la variation absolue du courant par l’éclairement augmente.
Ce dernier est maintenu une minute, le courant atteint ce moment, on fait une
occultation de 30 secondes suivie d’un éclairement assez court pour que le galvanomètre (période propre : 2 secondes, amortissement critique) ait juste le temps d’atteindre l’équi-
libre. On lit ainsi une v ariation de courant de 2 micro-ampères.
La suite de la courhe représente l’effet d’une inversion des connexions de la cellule : (sens désigné par le signe moins sur la courbe).
On constate en J que le courant d’obscurité est très faible, comme au début des expé-
riences dans le premier sens, et que l’effet photoélectrique est en valeur absolue plus faible.
Il croît rapidement d’ailleurs avec la fatigue électrique comme le montrent les 2 éclaire-
ments brefs de mcme durée (5 secondes) K et M.
,Un retour aii sens initial (+) donne un courant d’obscurité plus faible qu’en 1 (fin de la
première série) iiiais plus grand qu’au départ ~~. De même, dans l’essai suivant, dans le sens
Fig. 6.
-Effets de la lumière. (Cellule 43 sous 15 volts.)
2013) Cette courbe, qui n’est qu’un exemple parmi de nombreux résultats d’expériences sur
d’autres cellules, montre que :
il Le passage prolongé du courant dans un sens invariable augmente à la fois le cou-
rant d’obscurité et les variations photoélectriques absolues.
20 L’examen des inversions du sens prouve que la résistance de la cellule n’est affectée par la fatigue électrique que dans le sens du passage du courant et que, de même, le courant photoélectrique qui apparaît ne dépend pas du régime qui a pu être antérieurement atteint dans le sens inverse.
Autrement dit, tout se passe comme si la cellule utilisée dans un sens ignorait absolu-
ment l’état de fatigue atteint en sens inverse.
En particulier, au cours de l’emploi en sens inverse, la fatigue précédemment survenue disparaît lentement comme si la cellule ne travaillait pas. D’ailleurs, il est même établi expérimentalement que, très généralement. une inversion efface plus vite la fatigue élec- trique antérieure que le repos simple sans aucune tension appliquée. Nous verrons pire
loin une tentative d’explication théorique de ces phénomènes très curieux.
6. Fatigue complexe. - Lorsqu’on soumet la cellule à la fois à un éclairement permanent et à une teiiion permanente, on superpose la fatigue photoélectrique et la fatigue électrique. Il y a alors fatigue complexe et ce phénomène intervient constamment en
courant continu.
La fig. 7 en donne un exemple pour la cellule n° 43. La cellule, al’rt’s un repos d’une
heure dans l’obscurité et sans tension, est soumise à un éclairement de 8 lux (tungstène) en
lumière infra-rouge (écran hypérios Appert) sous une tension de 27 volts. Le courant d’obscurité initial était 0,04~A. Il était mesuré très rarement et aussi rapidement que possible de manière à tracer la courbe correspondant à l’éclairement permanent. On cons-
tate ainsi qu’il atteint en 36 minutes tandis que le courant d’obscurité atteint 3,2 tJ._L
Ceci montre :
1° Que l’éclairement n’empéche nullement la fatigue électrique, au contre celle-ci croît plus vite que dans l’obscurité, mais en restant du même ordre pour Jour les faibles éclairements. eS al) es ei’ aliemen S.
Fig. 7.
-Fatigue complexe en lumière infra-ronge. (Celule 4:3 sous 21 volts.)
2° Le courant photoélectrique, dans le cas d’un éclairement continu, croît bien moins
vite que le courant d’obscurité, de sorte que, bien qu’il croisse en valeur absolue, il décroit
en valeur relative.
Il serait très intéressant de vérifier si les cellules au sélénium se comportent sembla-
blement et en particulier de voir si les phénomènes d’inertie du sélénium ne sont pas
simplement décomposables, d’une manière analogue, en une fatigue due au courant et une
fatigue due à la lumière. Nous verrons plus loin que celle-ci, dans les cellules Fournier, disparaîtrait pour les grandes longueurs d’ondes.
7. Essais en lumière interrompue. - Lorsqu’on occulte périodiquement la source
lumineuse et qu’on amplifie seulement les variations du courant au moyen d’un montage n’amplifiant pas la composante continue, on constate que les résultats sont beaucoup mieux définis, c’est-à-dire beaucoup plus constants que dans les mesures galvanométriques, ce qui est précieux pour de nombreuses applications. Pour préciser les causes de cette parti- cularité, nous avons éclairé une cellule au moyen d’un faisceau constant occulté périodi- quement par un métronome dont la tige portait un disque de papier noir venant passer devant la cellule.
’ °
La période adoptée (3; secondes) était telle que la durée de l’occultation et de l’éclaire- ment (2 secondes fût suffisante pour permettre au galvanomètre d’atteindre sa position d’équilibre. On a porté en abscisses dans la courbe de la fig. 8 les temps en minutes et en
ordonnées les courants indiqués par le galvanomètre.
On a commencé par interposer un écran infra-rouge (Hypérios) qui ne laissait passer
Fia. 8.
-Essais en lumière modulée. (Cellule 43.)
que la partie invisible du rayonnement dont l’éclairement visible était de 8 lux (lampe demi-v-att).
On a obtenu les valeurs suivantes :
Courant d’obscurité initial : 0,0’~ ~,_~.
Variation photoélectrique initiale : 0,08 N.A.
Après 5 ininutes :
Courant photoélectrique : 0,~ î ~ A.
Variation photoélectrique : 0,~9~A.
Le courant d’obscurité a augmenté (fatigue complexe), la variation photoélectrique a également augmenté, mais tandis que io devenait 7 fois plus grand, à i n’était multiplié que par 3,5 environ.
En lumière visible (8 lux) les résultats sont analogues, avec cependant une croissance
bien plus rapide du courant d’obscurité qui passe en 3 minutes de 0,60;.1._B à 1,43V.A, tandis que à 1 pas se de 1,08:J.A à
Ceci prouve que les radiations visibles provoquent un effet lent très marqué, qui aug- mente le courant d’obscurité parce qu’en 2 secondes l’effet de l’éclairement ne se dissipe que très incomplètement, tandis que l’effet rapide qui obéit instantanément aux variations d’éclairement reste peu modifié.
Pour étudier la disparition de la partie photoélectrique de la fatigue, on remet en place l’écran hypérios (8e minute). On constate alors que le courant d’obscurité décroît
rapidement de à O,30:J.A en 17 minutes, tandis que la variation photoélectrique passe de la valeur 0,40~ B il 0,30~A.
Nous voyons que 3i a repris sensiblement la valeur qu’il avait à la fin des 3 premières
minutes. Cela est général : en lumière infra-rouge modulée, la cellule prend, en quelques
minutes de fonctionnement (retard dû ii la fatigue électrique), un état stable pour lequel la
sensibilité est bien définie, de sorte que les mesures valables peuvent être obtenues en
infra-rouge 8ans précautions spéciales. Nous verrons que l’emploi d’une tension alternative
sur la cellule, en supprimant la fatigue électrique, permet d’améliorer encore la précision de
ces mesures.
Des essais analogues à 800 s-1, en utilisant un disque perforé pour occull,er périodi- quement la source, ainsi qu’un oscillographe pour mesurer les courants, conduisent à ders résultats identiques.
8. Rapidité d’établissement de la composante photoélectriques du courant.
-Fig. 9.
-Schéma du montage uti- lisé pour les études oscillogra- phiqo es.
_La figure 6 pourrait faire croire, par l’évolution lente qui persiste pendant plusieurs minutes après chaque change-
ment d’éclairement, que la partie de la déviation qui
semble s’établir instantanément n’est rapide que par rapport
à la constante de temps du galvanomètre.
Il n’en est rien, car pour élucider ce point nous avons fait des relevés oscillographiques qui ont précisé entièrement la
question.
En enregistrant le courant photoélectrique au moyen d’un oscillographe électromagnétique Dubois après ampli-
fication par une lampe de couplage montée suivant le schéma de la figure 9, on obtient des oscillogrammes du type de la figure 10 relevé pour un éclairement interrompu ayant
duré 0,25 secondes. On observe une déviation que l’oscillo-
graphe inscrit comme débutant instantanément (donc en
moins de 1/3000 s) et une croissance lente du courant qui
est celle que nous constations déjà au galvanomètre, lequel permet de l’observer pendant très longtemps (plusieurs heures).
Afin d’étudier commodément la rapidité réelle de cet établissement d’apparence instantanée, nous avons cherché à voir comment variait l’amplitude du courant photoélec--
Fig. 10.
-Oscillogramme du courant photoélectrique.
trique ondulé qui traverse la cellule éclairée par une lampe constante quand on fait tourner à vitesse croissante une roue percée de trous devant la lampe.
Les oscillogrammes relev és avec l’oscillographe Dubois ont montré que la sensibilité diminuait un peu aux très basses fréquences, par suite de
la disparition de la composante lente qui succède à la
partie instantanée. Puis, dès que la fréquence dépassait
50 périodes par seconde, la sensibilité restait constante.
D’autres expériences, faites par MAI. Fournier et
Gondet, au moyen d’un oscillographe Dufour, ont permis
d’atteindre des fréquences de l’ordre de 30 000 périodes
par seconde. L’enregistrement reste très net, quoique la
sensibilité soit plus faible qu’aux fréquences plus basses,
mais dans ces essais l’amplificateur à résistance avait cer-
tainement une sensibilité légèrement décroissante avec la
fréquence par suite de la forte résistance interne des lampes
utilisées (lampes Céma à grand coefficient d’amplifica-
°