Un détecteur particulier : l’oeil

L` oeil est un système optique complet qui intègre une optique (la cornée et le cristallin de longueur focale de 25 millimètres environ et d’ouverture 8 millimètres au maximum diaphragmé en fonction de la luminosité par la pupille) et un récepteur (la rétine). La rétine est formée d’une surface sensible formée d’une mosaïque de récepteurs reconstituant une image à deux dimensions. Dans l’axe optique, ces récepteurs sont des cônes reliés individuellement au cerveau. Leur sensibilité maximale correspond à la bande spectrale jaune-vert à 0,55 micromètre (qui correspond aussi au maximum de flux du Soleil). Hors de l’axe optique, les récepteurs photosensibles sont les bâtonnets plus sensibles dans le bleu à 0,45 micromètre.
Cônes et bâtonnets transforment l’énergie lumineuse en impulsions électriques brèves dont la fréquence croît avec l’éclairement.
Il est vrai que l’oeil humain ne voit rien dans le noir. Cependant, il suffit d’allumer une source lumineuse (bougie ou briquet) pour rendre visibles les objets qui nous entourent. Ce n’est donc pas l’oeil qui, gardant les mêmes facultés de vision de nuit comme de jour, émet de la lumière pour voir mais bien plutôt les objets qui éclairés diffusent des rayonnements lumineux perceptibles par l’oeil. Pendant longtemps, le seul détecteur utilisé en optique a été l’oeil, c’est pour cette raison que s’est développée une photométrie visuelle avec ses propres caractéristiques (400nm<λ<750nm, réponses différentes le jour et la nuit,…) et ses propres unités. Ce pendant, malgré ses qualités, notamment la capacité de comparer deux éclairements ou de détecter des éclairements faibles (il est sensible a un paquet d’environ 20 photons arrivant en 0,1 seconde), l’oeil a du laisser la place à d’autres détecteurs, principalement en raison de l’impossibilité de stocker et donc d’objectiver et traiter l’information mais aussi de son caractère impersonnel.
Ce qui signifie que chaque observateur interprète inconsciemment ce qu’il observe. [2]

Classication des détecteurs

On classe habituellement les détecteurs en deux catégories, les détecteurs quantiques et les détecteurs thermiques selon la nature des phénomènes mis en jeu.

Détecteurs thermiques

Les détecteurs thermiques transforment en chaleur l’énergie lumineuse absorbée, ce qui élève leur température. En raison de la nature de cette transformation, ils absorbent pratiquement tout le rayonnement reçu, quelle que soit la longueur d’onde entre 0,2μm (UV) et une dizaine de microns.
L’interaction du rayonnement lumineux avec le détecteur peut être décrite comme une simple absorption de l’énergie lumineuse. Le modèle est celui d’un « thermomètre chauffé par le rayonnement. L’augmentation de la température du matériau induit une modification des propriétés électriques de ce dernier.
Les exemples de détecteurs les plus connus sont les suivants:
 Le Bolomètre (variation de résistance) : lorsqu’on expose à un rayonnement lumineux un matériau semiconducteur au germanium, on provoque une agitation thermique des électrons et donc une modification de sa résistivité.
La mesure de cette variation permet d’évaluer le rayonnement reçu.
 La Thermopile (thermocouple ou effet thermoélectrique) dont l’élévation de la température est mesurée par effet Seebeck ; cet effet consiste en l’apparition d’une force électromotrice entre deux points de soudure A et B de deux fils de métaux différents M1 et M2, lorsque ces points sont portés à des températures différentes ; on réalise ainsi un thermocouple. La linéarité de ce détecteur est bonne, cependant le temps de réponse est très grand (~ 1s) .
 Détecteur pyroélectrique (variation de capacité)
Dans tous les cas, la nature quantique de la lumière n’intervient pas, on tient compte seulement de l’apport d’énergie par le rayonnement ; les effets thermiques sont en général peu dépendant de la longueur d’onde. Le temps de réponse de ces détecteurs est gouverné par les processus de thermalisation, ce sont donc des détecteurs lents.
Comme ces détecteurs ne présentent aucune sélectivité spectrale, on les utilise pour connaître la réponse spectrale des autres détecteurs.

Caractéristiques thermiques

Un détecteur thermique est convenablement modélisé par un corps d’épreuve de capacité Calorifique K et de conductance thermique G (conductance entre le corps d’épreuve et l’enveloppe extérieure du capteur). Les pertes par convection interne au capteur sont en général rendu négligeables. Le processus d’échauffement du capteur soumis à un flux lumineux Ф répond alors à l’équation:

Capteur pyroélectrique

Un capteur pyroélectrique est en fait un détecteur de mouvements de chaleur. Il est sensible aux ondes infrarouges lointaines, c’est-à-dire qu’il est capable de percevoir les radiations de chaleur émises dans son environnement. Il s’équilibre lentement par rapport à la configuration de température qu’il perçoit dans son champ d’action. Il est activé par toute variation de température rapide, même infime, par rapport à cette configuration de repos. Dans la vie quotidienne, on rencontre ce genre de capteurs dans les systèmes d’alarme, les allumages automatiques de lampes de jardin, les ouvertures de portes automatiques. Ce type de capteur peut être utilisé en extérieur pour détecter le passage de personnes ou de voitures. Utilisé en intérieur il peut être un capteur d’appoint pour confirmer les informations données par un autre capteur, ou encore pour réagir aux mouvements d’êtres vivants.

Les différents capteurs pyroélectriques

Il existe trois types de capteurs pyroélectriques que nous avons résumés sur le tableau ci dessous avec leurs angles de détections respectifs :

Capteurs seuil réglable

Dans ce capteur, un microcontrôleur analyse l’évolution au cours du temps du module sensible analogique. Il sépare les signaux restant dans la zone de repos du capteur de celles qui en sortent. La zone de repos définit une fourchette (un seuil minimum et un seuil maximum) dans laquelle le signal peut varier sans que le capteur soit activé. La largeur de cette zone de repos est ajustable grâce au potentiomètre. Si le signal du module sort de la zone de repos, la sortie du capteur s’active. Ce capteur est disponible en deux variantes, avec des angles de détection différents : 60° ou 45°. Tous deux nécessitent un temps de stabilisation après branchement d’environ 1 minute.

Principe

Le capteur utilise un matériau cristallin non centro-symétrique présentant une polarisation spontanée variant fortement avec la température.

Montage électrique

Le détecteur se comporte comme une charge capacitive pure. Un transistor à effet de champ intégré au détecteur assure l’adaptation d’impédance à la sortie.

Temps de réponse

Il faut moduler le flux lumineux à faible fréquence. Le temps de montée (0-63%) est de 80 ms. La fréquence de modulation optimale est autour de 1Hz, la sensibilité décroît rapidement ensuite.

Exemple de détecteur thermique : Détecteur de débris spatiaux

Ce détecteur mesure les micrométéorites et les débris qui sont de minuscules objets se déplaçant à très grande vitesse dans l’espace.
Ce détecteur est composé de quatre condensateurs qui emmagasinent l’énergie électrique. Chaque condensateur se compose de deux bornes connectées à deux plaques séparées par un diélectrique constitué d’une sorte de matériau isolant particulier qui ne conduit pas l’électricité. Lorsqu’un micrométéorite frappe le détecteur, il provoque la décomposition du diélectrique et le condensateur perd toute son énergie électrique. On calcule ensuite la taille du micrométéorite en mesurant la quantité de courant nécessaire pour recharger le condensateur (plus cette quantité est grande, plus gros est le micrométéorite).

Détecteurs quantiques

L’effet pris en compte est dans ce cas l’interaction directe d’un photon et d’un électron ou atome présent dans le matériau. On distingue les effets internes et externes selon que la particule photo excitée est ou non extraite du matériau.

Effets internes: photoconduction et effet photovoltaïque

Le mécanisme initial est la création de porteur de charges « libres ». L’énergie du photon doit donc être supérieure au gap du matériau.
Dans le cas d’un semi-conducteur (SC) intrinsèque, le photon crée une paire électron-trou. Pour un SC extrinsèque, la présence des niveaux intermédiaires dus aux dopants réduit le gap et le mécanisme est la création d’une paire électron libre-trou lié (pour un dopage N).

Cellule photoconductrice (photo résistance)

Nous étudions l’effet photoconducteur sur un échantillon de semi-conducteur dopé N (densité de sites donneurs d’électrons ND) de volume V. Nous supposerons que l’essentiel de la conduction est de nature extrinsèque, c’est à dire que le transport du courant est assuré uniquement par les électrons libres de la bande de conduction (porteurs majoritaires). La densité moyenne de ces porteurs de mobilité μ est n.

Photo courant – Réponse

En présence du flux lumineux Φ, le taux volumique de création d’électrons libres par les photons s’écrit:

Photodiode

C’est une diode à jonction PN dont la caractéristique tension-courant dépend sensiblement de son éclairement extérieur en raison de ses propriétés photoconductrice. On l’utilise généralement en polarisation inverse de telle sorte que la dépendance avec le flux lumineux incident soit linéaire.
En combinant cet « effet photodiode » à l’effet multiplicatif en courant du transistor, on réalise un phototransistor.

La jonction PN

Une jonction PN est réalisée par la mise en contact de deux échantillons d’un semiconducteur, l’un dopé N par des impuretés donnant des électrons, de densité ND, l’autre dopé P par des impuretés acceptant les électrons ayant une densité NA.
L’équilibre thermodynamique du matériau impose une énergie de Fermi commune pour les deux échantillons, qui est obtenu par abaissement des niveaux des bandes de valence et de conduction dans le matériau N et élévation dans le matériau P, conduisant à l’apparition d’une différence de potentiel à la jonction. Ce réarrangement à lieu par diffusion des porteurs majoritaires d’un échantillon vers l’autre zone, où ils sont minoritaires : on constate qu’il apparaît une zone de transition autour de la jonction, appauvrie en porteurs majoritaires, appelée zone de déplétion. Cet équilibre de la jonction est le bilan de deux courants traversant la jonction, de sens et de nature différents. Le premier courant est dû aux porteurs majoritaires qui, par agitation thermique, arrivent à franchir la barrière de potentiel de la jonction (électron « sautant » de N vers P). Ce sont des charges qui transitent à travers la zone de déplétion. Lesecond courant a pour origine la création par agitation thermique de paires électron-trou à l’intérieur de la zone de déplétion. Ces paires sont alors séparées par le champ interne de la jonction et produisent donc un courant de sens opposé au précédent, équivalent au transfert de porteurs minoritaires à travers la jonction (électron passant de P vers N).

Caractéristique d’une diode

Branchement dans le sens direct

Lorsqu’une jonction PN est polarisée dans le sens direct, les électrons, qui sont majoritaire dans la région de type N, sont injectés dans la région de type P où ils se recombinent avec les trous. Inversement pour les trous
La différence de potentiel externe réduit la barrière de potentiel interne de la jonction.
L’extension de la zone de déplétion devient très faible et le courant de porteurs majoritaires de la zone N vers la zone P est largement favorisé.

Branchement en inverse

La tension externe appliquée augmente la barrière de potentiel. Le courant des porteurs majoritaires est quasiment nul. La zone de déplétion s’étend de part et d’autre de la jonction.
Le courant de porteurs minoritaires est prédominant dans ce mode.

Caractéristique d’une photodiode

Les photodiodes sont conçues pour la détection des signaux faibles et rapidement variables, de ce fait elles ont des aires sensibles relativement petites. Pour permettre de maximiser le rapport signal sur bruit et la vitesse de réponse, elles sont conçues pour être utilisées sous une polarisation inverse, elles doivent alors utiliser des matériaux de très bonne qualité cristalline, On trouve dans le commerce des photodiodes utilisant Ge, Si, GaAs etc.
Les photons absorbés dans les zones dopées P et N, de part et d’autre de la jonction donnent lieu à un effet photoconducteur de même nature que celui observé dans une photo résistance et, s’il ne règne pas dans ces zones un champ électrique (appliqué de l’extérieur), la photocréation de porteurs libres est suivie d’une recombinaison dans la même zone et l’onn’observe rien de nouveau. Pour les photons absorbés dans la zone de déplétion, les paires électron-trou créées sont par contre immédiatement séparées par le champ interne, et une différence de potentiel apparaît aux bornes de la photodiode: c’est l’effet photovoltaïque. La photodiode peut alors être utilisée comme un générateur de courant ou de tension dans un circuit électrique, d’où l’appellation de photopiles données à certains dispositifs. L’effet photovoltaïque se résume donc à l’augmentation du courant des porteurs minoritaires. Onutilise les photodiodes pour des systèmes de détection de lumière. [3,6]

Effet externe: photo émission

Le mécanisme de base est toujours quantique, avec l’interaction directe d’un photon et d’un électron, mais conduit ici à l’extraction du photoélectron hors du matériau. C’est la mise en oeuvre de l’effet photoélectrique, expliqué par Einstein en 1916.
De nombreux détecteurs utilisent cet effet: cellule photoélectrique, tube photomultiplicateur, intensificateur et convertisseur d’image à galette de micro canaux, … [4]. Tous comportent une électrode la photocathode d’où sont arrachés les électrons.

Photocathode

L’effet de seuil particulier à tout détecteur quantique prend naissance dans la photocathode, l’énergie du photon incident devant être supérieure au travail d’extraction d’un électron. Pour mesurer ce travail, on définit l’affinité électronique (AE) d’un solide comme la différence entre l’énergie de l’électron au repos dans le vide et l’énergie moyenne des électrons dans le solide.

Cas d`un matériau semi-conducteur

Les détecteurs à semi-conducteurs sont un type particulier de détecteurs à ionisation.
Au lieu d’exciter ou d’ioniser le milieu, une particule chargée traversant un semi conducteur crée des paires d’électron-trous quasi-libres dans la bande passante . Il faut seulement à peu près 3 eV pour y créer une paire. Les charges ainsi créées peuvent être détectées en appliquant un champ électrique. L’apport d’énergie doit tout d’abord couvrir le gap entre la bande de conduction et la bande de valence. On bénéficie, dans le cas du semiconducteur, de la durée de vie de la paire électron-trou, qui se traduit par une grande longueur de diffusion (de l’ordre de quelques micromètres). On cherche alors, en utilisant des traitements de surface (d’épaisseur très faible) par des métaux alcalins lourds, à obtenir une AE très faible, voire négative. Un bon exemple est représenté par les photocathodes sensibles dans le proche infrarouge (λ < 0.93μm). [5, 6,4]