PHOTOÉLECTRIQUE EFFET

Photoconductivité

Technique de la photoconductivité

La photoconductivité a été découverte en 1873 par W. Smith, mais elle n'a pas pris la même importance théorique que l'émission photoélectrique lors de l'établissement de la théorie des quanta. Son intérêt apparut d'abord sur le plan technique pour détecter la lumière, en concurrence avec la photoémission dans le domaine visible, et pratiquement sans concurrence dans l'infrarouge de 2 μm à 300 μm. La photoconductivité n'est observable que pour une classe restreinte de corps, les semiconducteurs. La conductivité d'un corps peut s'écrire :

où ρ_n et ρ_p désignent respectivement les densités d'électrons libres et de trous, μ_n et μ_p leurs mobilités, e la charge élémentaire. Dans un métal, le nombre de porteurs mobiles, en général des électrons, est très important et sensiblement indépendant de l'éclairement. Dans un semiconducteur maintenu à l'obscurité, si la température est assez basse (la température ordinaire peut suffire dans certains cas), ρ_n et ρ_p sont très faibles et σ est négligeable. Un éclairement crée des porteurs et fait apparaître une photoconductivité. On considérera d'abord le cas d'un semiconducteur intrinsèque exempt d'impuretés. L'absorption d'un photon d'énergie hν fait passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction. On voit donc apparaître un trou positif dans la bande de valence et un électron libre dans la bande de conduction, qui contribuent tous deux à la conductivité. Pour produire cet effet, un photon doit posséder au minimum une énergie égale à la largeur de bande interdite E_g qui constitue donc le seuil photoélectrique. La plus grande longueur d'onde détectable est ainsi hc/E_g, soit 0,55 μm pour CdS, 0,91 μm pour GaAs, 0,97 μm pour Si, 1,6 μm pour Ge et 7 μm pour InSb.

Pour aller plus loin dans l'infrarouge, on utilise des semiconducteurs dopés. Dans les semiconducteurs négatifs, ou n, on a introduit des impuretés qui possèdent un électron de plus que les atomes normaux du semiconducteur et créent des centres donneurs dans la bande interdite E_g. Ces centres peuvent transmettre un électron à la bande de conduction si un photon leur fournit une énergie suffisante. Dans le cas des semiconducteurs p, des impuretés, qui possèdent un électron de moins que l'atome normal, acceptent des électrons de la bande de valence en y créant des trous positifs. Le seuil photoélectrique dans les semiconducteurs n est la distance E_d du niveau donneur à la bande de conduction et, dans les semiconducteurs p, la distance E_a du niveau accepteur à la bande de valence. Les longueurs d'onde limites détectables sont ainsi 11 μm pour Ge dopé à l'or, 40 μm pour Ge dopé au Zn, et on descend même jusqu'à quelque 0,5 mm avec InSb dopé (cf. infra).

Courant d'obscurité et utilisation de la photoconductivité pour la détection de la lumière

La conductivité d'un semiconducteur non éclairé n'est nulle qu'au zéro absolu et l'agitation thermique peut susciter l'existence de porteurs par les mêmes mécanismes que l'absorption de photons. La mesure d'un flux lumineux par photoconductivité est effectuée en plaçant l'élément semiconducteur sous tension et en mesurant l'augmentation du courant due à l'éclairement. Cette mesure peut être rendue très sensible en modulant le faisceau lumineux et en amplifiant la composante du courant qui est en synchronisme avec la modulation. Mais, de toute façon, la détection du courant photoélectrique est d'autant plus facile que le courant d'obscurité est plus faible. En effet, tout courant fluctue autour de sa valeur moyenne avec une amplitude qui augmente avec cette valeur. Si on désigne par hν₀ le seuil photoélectrique du semiconducteur (égal à E_g, E_d ou E_a, suivant son type), le courant d'obscurité varie dans la gamme utile comme :

où k représente la constante de Boltzmann et T la température absolue. On doit donc abaisser la température du photoconducteur d'autant plus que son seuil est bas. Ainsi, on peut détecter la lumière visible à température ordinaire (kT = 0,025 eV), mais le germanium dopé à l'or, qui permet de détecter des photons de 0,15 eV (λ₀ = 11 μm), doit être refroidi à la température de l'azote liquide (à 77 K, kT = 0,0067 eV) ; le germanium dopé au zinc, qui permet de détecter des photons de 0,03 eV (λ₀ = 40 μm), doit être refroidi à l'aide de l'hélium liquide (à 4,2 K, kT = 3,6 × 10⁻⁴ eV). Pour aller jusqu'aux longueurs d'onde de 0,2 mm, qui pe [...]

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