Photorésistance

Photorésistance

Une photorésistance est un composant électronique dont la résistivité varie en fonction de la quantité de lumière incidente. On peut également la nommer résistance photo-dépendante (light-dependent resistor (LDR)) ou cellule photoconductrice.

Principe

Une photorésistance est composée d'un semi-conducteur à haute résistivité. Si la lumière incidente est de fréquence suffisamment élevée (donc d'une longueur d'onde inférieure à la longueur d'onde seuil), elle transporte une énergie importante. Au-delà d'un certain niveau propre au matériau, 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. La compréhension de ce phénomène entre dans le cadre de la théorie des bandes. Les électrons libres et les trous d'électron ainsi produits abaissent la résistance du matériau.

Lorsque le photon incident est suffisamment énergétique, la production des paires électron-trou est d’autant plus importante que le flux lumineux est intense. La résistance évolue donc comme l’inverse de l’éclairement, cette relation peut être considérée comme linéaire sur une plage d’utilisation limitée.

Les matériaux utilisés dans les photorésistances sont le plus souvent des composés des colonnes II-VI de la classification périodique des éléments. Pour une utilisation dans le domaine visible et à faible coût, on utilise le plus souvent le sulfure de cadmium (CdS) ou le séléniure de cadmium (CdSe). Pour des utilisations dans l'infrarouge on utilise le sulfure de plomb (PbS).

Géométrie du semi-conducteur

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  Principe d'une photorésistance

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  Géométrie optimale (ruban)

Pour conserver la conduction, il faut limiter le nombre de recombinaisons des paires électron-trou. La surface réceptrice du flux lumineux est un ruban. Cette forme minimise la largeur séparant les électrodes et les laissent en contact avec le ruban sur une grande surface. C’est cette configuration qui donne la résistance la plus faible. Seules les photorésistances utilisées sous haute tension sont constituées d’un ruban large. En effet le courant traversant la photorésistance s'écrit:

Dans cette expression :

• q est la charge de l’électron
• μ est la mobilité de l’électron
• n est la densité d’électrons présents
• A est l’aire de la surface de contact entre les électrodes et la zone photosensible
• L est la largeur du ruban

On constate que pour augmenter cette intensité il faut maximiser A et minimiser L. C'est pourquoi le ruban est la forme la plus efficace.

Circuit de conditionnement

Le dessin situé en dessous est le symbole d'une photorésistance utilisé dans un grand nombre de schémas de circuit électrique.

Symbole d'une photorésistance

Le composant sert majoritairement à distinguer la présence ou l'absence de lumière. La quantification de flux reste possible mais est moins employée. Les photorésistances sont montées en pont diviseur de tension pour des montages potentiométriques servant à la commande de relais ou de diaphragme. Pour les photomètres élémentaires on place sur une des branches d'un pont de Wheatstone une photorésistance. Le courant de déséquilibre introduit par la variation de la résistance de cette branche est mesuré et ramené à une mesure de flux.

Bruits

Comme l'ensemble des capteurs optiques, la photorésistance est soumise à un certain nombre de bruits d'origines différentes.

• Le bruit d'agitation thermique qui résulte de l'agitation thermique des porteurs de charges au sein de la résistance. Il est aussi appelé bruit de Jonhson.
• Le bruit de grenaille ou bruit de Schottky qui apparait dès lors qu'un courant traverse une barrière de potentiel.
• Bruit de génération recombinaison, qui est proportionnel à la largeur de la bande passante.

On néglige généralement le bruit rose du fait du domaine d'utilisation du capteur. La connaissance de ces bruits permet de calculer la valeur du PEB. Pour les détecteurs infrarouges, il convient de prendre en compte le bruit ambiant qui limite la détectivité maximale.

Positionnement dans le paysage des capteurs optiques

La photoresistance ou cellule photoconductrice est un capteur résistif, donc passif, de la famille des capteurs optiques dont le principe physique est la photoconductivité. Associée à un conditionneur, la photorésistance est parmi l'un des plus sensibles.

Avantages

• Capteur sensible.
• Larges gammes spectrales
• Faible coût.
• Facilité de mise en œuvre.
• Rapport de transfert statique.
• Sensibilité élevée.

Inconvénients

• Non linéarité de la réponse en fonction du flux.
• La vitesse de variation de R avec l'éclairement est faible et non symétrique.
• Sensibilité thermique.
• Refroidissement nécessaire dans certains cas (capteurs thermiques).
• Temps de réponse élevé (0,1 us à 100 ms).
• Bande passante limitée.
• Instabilité dans le temps (vieillissement dû aux échauffements).

Applications

Les photorésistances trouvent leurs applications principales dans la détection d'une différence de flux plutôt que dans la mesure précise du niveau de flux reçu (impulsions lumineuses, variation d'éclairement par exemple). La mesure en photométrie nécessite une détermination précise et une stabilisation des caractéristiques. Cette stabilisation ainsi que la détermination de ces caractéristiques passent par un étalonnage rigoureux et l'intégration de la photorésistance dans un conditionneur de capteurs résistifs. D'après les considérations précédentes, le type de mesurande que les photorésistances sont en mesure de détecter a été défini. Cependant, le type de rayonnement détectable dépend du type de semi-conducteur composant la photorésistance. Par exemple, les photorésistances au CdSe (séléniure de cadmium) permettent de détecter un rayonnement dans les proches IR et le visible alors que celles de ZnO (oxyde de zinc) permettent de détecter un rayonnement UV. L'utilisation de ce type de détecteur est très variée  :

• Les détecteurs de flammes qui sont des photorésistances à détection d’infrarouges ou d’UV. À savoir que seule une forte fumée cause une inhibition du capteur UV et que la foudre ou une soudure peut le déclencher accidentellement. Pour la photorésistance à infrarouges, la présence de vapeur d’eau atténue fortement sa sensibilité.
• Les détecteurs de présence se déclinent sous deux principes différents. Un premier détectant l’augmentation du flux induit par la présence d’un corps dans le champ (principalement des capteurs à infrarouges), le second détectant la diminution du flux induit par l’ombre du corps présent dans le champ du capteur qui est plus limité que celui à infrarouges (détection dans le visible et capteur LDR plus directif).
• Les récepteurs infrarouges permettent de faire communiquer deux appareils sans contact. L’un des appareils possède un émetteur infrarouge et le second la photorésistance.
• Les détecteurs à UV qui permettent de mettre en évidence toute source d’UV et ainsi asservir la source ou détecter une fuite par exemple.
• L’allumage des lumières lorsque la luminosité diminue (éclairage public ou domestique).
• La mesure de la luminosité extérieure dans les appareils photographiques ou les ordinateurs.

Les applications de ce composant sont donc très variées, que ce soit dans le monde industriel ou domestique. Étant peu cher, il présente un bon rapport qualité pour les industriels souhaitant l’intégrer dans leurs systèmes.

Articles connexes

• Cellule photoconductrice
• Théorie des bandes
• Semi-conducteur

Liens externes

• Site universitaire
• Site personnel Etronics

Bibliographie

• Voir l'ouvrage de Georges Asch et coll, Les capteurs en instrumentation industrielle. EEA, DUNOD. (2006).
• Voir l'ouvrage de Pierre Mayé, Optoélectronique industrielle : conception et applications. Electronique, DUNOD. (2001).
• Voir l'article Les photorésistances : technologie, propriétés et applications.Electronique applications n° 57.

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