Fonctionnement d'un phototransistor : amplification de courant commandée par la lumière
Un phototransistor est un transistor bipolaire (BJT) sensible à la lumière où le courant de base est généré par les photons incidents plutôt que par une connexion électrique. Il combine une photodiode (lumière→courant) avec un transistor (gain de courant) en une seule structure.
Structure
- Jonction Collecteur-Base : Grande surface, polarisée inverse — le collecteur de lumière.
- Région de base : Fine, faiblement dopée — zone d'absorption des photons.
- Émetteur : Fortement dopé — injecte les porteurs majoritaires.
- Pas de broche de base externe (généralement) : 2 broches (Collecteur, Émetteur) ou 3 broches (base accessible pour polarisation).
Séquence de fonctionnement
- Absorption des photons : La lumière (λ adapté au gap) frappe la région de déplétion base-collecteur (ou base).
- Génération paires électron-trou : Chaque photon d'énergie \(E > E_g\) crée une paire e-h.
- Séparation par champ interne : Le champ de polarisation inverse balaye électrons vers collecteur, trous vers base.
- Courant de base (\(I_{ph}\)) : Les trous s'accumulant dans la base constituent un photocourant \(I_{ph} \propto \text{Intensité lumineuse}\).
- Gain transistor : \(I_C = \beta \times I_{ph}\) (β = 100–1000+). Petit courant lumineux → grand courant collecteur.
- Sortie : \(I_C\) traverse la résistance de charge externe → tension de sortie \(V_{out} = V_{CC} - I_C R_L\).
Caractéristiques clés
- Réponse spectrale : Pic ~800–950 nm (Si). Télécommandes IR (940 nm) bien adaptées.
- Responsivité : 0,1–1 A/W (× β vs photodiode 0,5 A/W).
- Vitesse : Plus lent que photodiodes (capacité base × β). \(t_r/t_f\) typique : 2–10 µs. Pas pour comms haute vitesse.
- Courant d'obscurité : Fuite à lumière nulle ; double ~tous les 8–10°C.
Applications typiques
- Récepteurs télécommandes IR (38 kHz modulé — utilise CI filtre/démod intégré, pas phototransistor brut).
- Opto-interrupteurs (capteurs à fente) : objet coupe faisceau → signal logique.
- Interrupteurs activés par lumière, commande d'éclairage public.
- Retour isolé en alimentations à découpage (optocoupleurs sortie phototransistor).
- Codage position/vitesse (disques codeurs).
Phototransistor vs Photodiode
| Caractéristique | Phototransistor | Photodiode (Photovoltaïque/Photoconductive) |
|---|---|---|
| Gain | Élevé (β) | Unité (1) |
| Vitesse | Lente (µs) | Rapide (ns) |
| Bruit | Plus élevé (bruit de tir + thermique amplifié) | Plus faible |
| Linéarité | Moyenne (β variable) | Excellente |
| Cas d'usage | Tout-ou-rien, analogique basse vitesse, isolation | Mesure précision, comms haute vitesse |