Qu’est-ce qu’un élément photoélectrique ?
L’élément photoélectrique est un terme générique désignant les éléments électroniques responsables de la conversion entre l’énergie lumineuse et l’énergie électrique.
D’une manière générale, il existe des éléments émetteurs de lumière qui convertissent les signaux électriques en signaux optiques et des éléments récepteurs de lumière qui convertissent les signaux optiques en signaux électriques. Les éléments émetteurs de lumière émettent de la lumière lorsqu’un courant électrique est appliqué ; les diodes électroluminescentes sont un exemple typique.
Les ampoules électriques et les lampes fluorescentes émettent également de la lumière lorsqu’elles sont traversées par un courant électrique, mais les éléments émetteurs de lumière sont généralement limités à ceux qui utilisent des semi-conducteurs et ne les incluent pas. Les photodétecteurs reçoivent également de la lumière et génèrent un courant électrique ; on peut par exemple citer les cellules solaires.
Utilisations des éléments photoélectriques
Les éléments photoélectriques sont utilisés dans un grand nombre de dispositifs dans les domaines qui utilisent la lumière. Divers exemples d’utilisation peuvent être donnés pour les éléments émetteurs de lumière, tels que la partie émettrice de lumière des appareils d’éclairage utilisant des diodes électroluminescentes, comme source de lumière pour la détection d’objets dans des capteurs tels que les photo-interrupteurs, et comme source de lumière de signal pour les lasers à semi-conducteurs dans le domaine des communications optiques.
En plus des cellules solaires mentionnées ci-dessus, les photodétecteurs comprennent, par exemple, les éclairagistes, les posemètres des appareils photo, les lecteurs de CD et de DVD, les capteurs d’image des équipements photographiques et les capteurs qui détectent la lumière réfléchie par les objets dans les photo-interrupteurs.
Principe des éléments photoélectriques
Les principes des éléments émetteurs et récepteurs de lumière sont très différents.
1. Éléments émetteurs de lumière
La structure de base d’une diode électroluminescente en tant qu’élément représentatif de l’émission de lumière est une jonction PN, dans laquelle un semi-conducteur de type P (avec la majorité des trous comme porteurs) et un semi-conducteur de type N (avec la majorité des électrons comme porteurs) sont reliés par une jonction.
Lorsqu’une tension directe est appliquée à une diode électroluminescente, les électrons et les trous se déplacent dans la puce de la diode électroluminescente et le courant circule. Si les électrons et les trous entrent en collision au cours de leur déplacement, ils se recombinent, mais dans cet état, l’énergie des électrons et des trous est inférieure à l’énergie combinée qu’ils possédaient à l’origine.
Cette énergie réduite est convertie en lumière et émise à l’extérieur du semi-conducteur. C’est le principe de la luminescence.
2. Photodétecteurs
Les photodétecteurs utilisent l’effet photoélectrique. L’effet photoélectrique fait référence à ce qui se produit à la jonction PN du semi-conducteur. Même si les deux extrémités de la photodiode sont court-circuitées, un champ électrique se forme à la jonction PN, dans laquelle se produit un gradient de potentiel.
Lorsque la lumière est irradiée dans ce champ électrique, son énergie génère des électrons et des trous, mais le gradient de potentiel fait que les électrons se déplacent immédiatement. Plus la lumière est intense (plus le nombre de photons est élevé), plus le courant est important.
Notez que l’application d’une tension de polarisation inverse à la jonction PN élargit le champ électrique, de sorte que les électrons et les trous sont générés dans une zone plus large. La pente du potentiel devient également plus forte, de sorte que la vitesse de transfert des porteurs augmente et que l’on peut s’attendre à une réponse rapide.
Types d’éléments photoélectriques
Les éléments semi-conducteurs classés comme éléments photoélectriques sont les suivants :
1. Éléments électroluminescents
Diode électroluminescente
De nombreuses diodes électroluminescentes avec différentes longueurs d’onde d’émission allant du proche infrarouge à la région visible ont été commercialisées, et la demande de diodes électroluminescentes bleues en particulier a considérablement augmenté en raison de leur utilisation dans les appareils d’éclairage. Les diodes électroluminescentes émettant dans le proche infrarouge sont quant à elles utilisées pour les communications optiques.
Lasers à semi-conducteurs
Ces lasers peuvent émettre une lumière plus forte et plus cohérente que celle des diodes électroluminescentes ordinaires. Parmi les applications familières, on peut citer les pointeurs laser, qui utilisent leur linéarité, et les sources de lumière pour les projecteurs, qui utilisent leur intensité lumineuse élevée et leur longueur d’onde unique.
OLED (électroluminescence)
Les OLED sont utilisées pour les écrans fins et légers tels que les téléviseurs et les viseurs de matériel photographique.
2. Éléments sensibles à la lumière
Photodiode
Diverses applications incluent des capteurs dans des instruments de mesure tels que les éclairagistes, qui mesurent l’intensité de la lumière, et dans la détection d’objets avec de la lumière.
Phototransistor
Ces capteurs sont plus sensibles que les photodiodes car ils reçoivent la lumière dans la région de base du transistor et le courant qui y est généré peut être amplifié et extrait. Ils sont principalement utilisés dans la partie réceptrice de lumière des photo-interrupteurs.
Capteur d’image
Capteur dans lequel un grand nombre de photodiodes sont disposées de manière plane et sur lequel une image est projetée pour produire des données d’image. Ils sont utilisés dans la section d’imagerie des caméras qui prennent des images fixes et animées.
Bien qu’ils soient très grands et coûteux en tant qu’éléments semi-conducteurs, ils sont devenus largement utilisés, remplaçant les tubes d’imagerie et les films photographiques utilisés dans le passé.