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Qu'est-ce qu'un phototransistor ?

Un phototransistor est un dispositif semi-conducteur qui détecte la lumière.

Sa structure est une combinaison d'une photodiode et d'un transistor. Il existe une variété de formes en fonction de l'emballage, de sorte que le choix approprié doit être fait en fonction de l'utilisation.

Utilisations des phototransistors

Les phototransistors sont largement utilisés comme capteurs de lumière. En particulier, ils ont une sensibilité maximale autour de 800 nm et sont donc couramment utilisés pour recevoir la lumière infrarouge.

Parmi les exemples spécifiques d'utilisationsdes phototransistors, l'on peut citer la mesure de l'intensité lumineuse, les récepteurs de télécommande à infrarouge, les récepteurs de capteurs photoélectriques et les communications optiques. En particulier, ils sont souvent utilisés en combinaison avec des LED infrarouges dans les télécommandes de téléviseurs et de climatiseurs.

Une utilisation de la communication optique est le service de communication optique Giganet fourni par les fournisseurs d'accès à l'internet. La partie réceptrice de lumière de cette communication utilise des phototransistors à grande vitesse, qui sont idéaux pour la communication.

Les phototransistors sont aussi parfois utilisés comme capteurs dans les portes automatiques. De plus, ils sont utilisés dans un large éventail de situations, par exemple comme interrupteurs commandés par la lumière, car ils détectent la lumière et génèrent un courant électrique.

Structure du phototransistor

Les phototransistors sont des dispositifs semi-conducteurs à structure NPN. Cette structure NPN confère au phototransistor un signal de sortie plus important que celui d'une photodiode (voir figure 2, schéma de gauche).

La structure NPN du phototransistor amplifie la sortie de la photodiode à l'aide d'un transistor. Lorsque de la lumière correspondant à l'écart énergétique du semi-conducteur pénètre, les électrons de la bande de valence sont excités dans la bande de conduction.

Cela entraîne une migration vers la couche N, tandis que les trous se déplacent vers la couche P. Ce mouvement de la couche N vers la couche P est un phénomène naturel. Ce mouvement de la couche N vers la couche P provoque une polarisation directe à la jonction, ce qui se traduit par un flux de courant.

Les transistors utilisés dans les phototransistors sont caractérisés par le fait qu'ils ne possèdent pas d'électrode de base. Cependant, le photocourant généré par la réception de la lumière devient le courant de base, qui est amplifié au niveau du collecteur.

Caractéristiques des phototransistors

L'amplification du courant de base est hFE (facteur d'amplification du transistor) fois plus élevée que dans les autres transistors. Toutefois, une caractéristique des phototransistors est que, même avec un facteur d'amplification hFE fois similaire,  des facteurs d'amplification hFE relativement importants sont utilisés.

Cela permet d'extraire le signal de la minuscule photodiode sous la forme d'un courant de collecteur important. Ill convient de noter que le courant fuit constamment à la jonction collecteur-base et que ce courant de fuite est également amplifié.

En d'autres termes, un phototransistor a un faible flux de courant même dans un environnement complètement sombre. Ce faible courant qui circule même dans un environnement sombre est appelé courant d'obscurité. Le courant d'obscurité généré par un phototransistor est un bruit interne pour un capteur de lumière. Il est toutefois possible de supprimer ce bruit interne.

Le courant d'obscurité a la caractéristique d'augmenter lorsque la température est élevée et, inversement, de diminuer lorsque la température est basse. Cette caractéristique peut donc être utilisée pour refroidir le dispositif afin de supprimer le bruit interne.

Autres informations sur les phototransistors

1. Photodiode et transistor

En combinant un phototransistor avec une photodiode et un transistor, le photocourant généré lorsque la lumière est reçue par la photodiode peut être amplifié par un facteur de hFE fois le facteur d'amplification du courant continu du transistor. Le phototransistor est donc plus sensible que la photodiode et le courant de sortie du phototransistor est de l'ordre du mA, ce qui simplifie le circuit dans les étapes suivantes.

La sensibilité du phototransistor est plusieurs centaines de fois supérieure à celle de la photodiode, et si une sensibilité encore plus élevée est requise, l'utilisation d'un phototransistor connecté en Darlington permet d'obtenir une sensibilité plusieurs centaines de fois x plusieurs centaines de fois supérieure. Il est ainsi possible de détecter des luminosités de plusieurs Lux.

2. Différence entre CDS et Phototransistor

Un CDS est un photorésistor, également appelé cellule CDS ou cellule photoconductrice ; la résistance d'un CDS diminue de manière inversement proportionnelle à l'éclairement qu'il reçoit. En d'autres termes, la résistance est plus élevée lorsque l'éclairement est faible et plus faible lorsque l'éclairement est élevé.

Les avantages des CDS sont que la caractéristique de sensibilité infime est proche de celle de la vision humaine, que la structure est simple, que la sensibilité est élevée et que le prix est bas.

Parmi les exemples, l'on peut citer les illuminimètres, les exposimètres pour caméras et les détecteurs de luminosité pour les feux clignotants automatiques. Cependant, le sulfure de cadmium, le principal matériau utilisé comme élément dans les CDS, est une substance nocive pour l'environnement. C'est pourquoi les CDS sont de moins en moins utilisés depuis quelques années.

Les phototransistors, quant à eux, fournissent un courant de sortie proportionnel à l'éclairement. Un autre avantage est la sensibilité élevée due à la structure de la photodiode et du transistor combinés.