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Phototransistor : c’est quoi ?

Représentation physique d'un phototransistor et son schéma de circuit de base.

Le phototransistor est un composant semi-conducteur qui combine de manière élégante deux fonctions essentielles de l’électronique optique : la détection de la lumière et l’amplification du signal électrique qui en résulte. Ce composant agit à la fois comme un interrupteur et un amplificateur, une dualité qui le distingue des autres capteurs optiques. Contrairement aux transistors classiques qui sont commandés par un courant électrique, le phototransistor est piloté par l’exposition à la lumière. Cette propriété en fait un dispositif idéal pour les circuits qui doivent réagir aux changements d’intensité lumineuse.

Le concept du phototransistor a émergé dans l’écosystème de la recherche électronique peu de temps après l’invention du transistor bipolaire à jonction (BJT). La première idée a été proposée par William Shockley en 1951, et un prototype a été démontré deux ans plus tard. Cette invention n’est pas fortuite ; elle découle d’une volonté d’exploiter les propriétés semi-conductrices pour la photodétection de manière plus efficace. Les capteurs de lumière de l’époque, tels que les photodiodes, convertissaient la lumière en courant électrique, mais ce courant était souvent trop faible pour être directement utilisé sans un circuit d’amplification externe. Le phototransistor a été conçu pour résoudre cette limitation, en intégrant un étage d’amplification directement dans son boîtier. Il a ainsi comblé un vide technologique en offrant une solution plus sensible et plus simple à intégrer dans les circuits qui nécessitaient un signal électrique fort pour de faibles niveaux de lumière. La différence fondamentale avec un transistor bipolaire classique réside dans le fait que sa zone de base n’est pas nécessairement connectée électriquement. Au lieu de cela, elle est conçue pour être exposée à la lumière, qui agit comme le signal de commande.

Principe de Fonctionnement

Le fonctionnement du phototransistor repose sur le principe de l’effet photoélectrique interne. Lorsqu’un photon d’énergie suffisante frappe une zone du semi-conducteur, il peut transférer son énergie à un électron, l’éjectant ainsi de sa liaison atomique pour créer une paire électron-trou libre. La région la plus sensible et la plus active pour ce phénomène est la jonction collecteur-base, qui est polarisée en inverse pendant le fonctionnement normal.

La lumière incidente sur cette jonction génère un flux de paires électron-trou proportionnel à l’intensité de l’éclairement. Ce flux, bien que minuscule, constitue le photocourant (

I_{λ}

Ip

) qui agit comme le courant de base du transistor. C’est à ce stade que la magie de l’amplification se produit. Ce courant de base naissant est ensuite amplifié par le gain en courant continu (

hfe

β

) du transistor, générant un courant de collecteur beaucoup plus important (

I_{c}

). La relation fondamentale qui régit cette opération, pour un phototransistor sans connexion de base externe, est donnée par l’équation : Ic=hfe⋅Iλ.

Cette équation met en évidence la nature intrinsèquement amplificatrice du dispositif. Le phototransistor peut être vu comme une photodiode (la jonction collecteur-base) dont le courant de sortie est directement injecté et amplifié par un transistor bipolaire. Cette modélisation explique sa sensibilité accrue par rapport à une simple photodiode, mais elle permet également de comprendre ses limitations, comme sa réponse plus lente due aux capacités parasites du transistor et sa non-linéarité. Pour fonctionner correctement, le phototransistor, à l’instar d’un BJT standard, est généralement polarisé de telle sorte que sa jonction émetteur-base est en polarisation directe, tandis que la jonction collecteur-base est en polarisation inverse.

Structure, Construction et Symboles

La structure d’un phototransistor est une adaptation de la conception classique d’un transistor bipolaire pour maximiser sa réactivité à la lumière. Pour augmenter la capture des photons, les zones de base et de collecteur sont délibérément plus larges que celles d’un transistor standard. Pour optimiser le couplage optique, les dispositifs sont souvent munis d’une petite lentille intégrée au boîtier qui concentre la lumière sur la jonction collecteur-base photosensible.

Historiquement, les premiers phototransistors étaient fabriqués à partir de matériaux de base comme le germanium ou le silicium. Bien que le silicium soit plus couramment utilisé en raison de son faible coût et de sa fiabilité, la technologie moderne a évolué vers des matériaux plus performants. Aujourd’hui, on utilise des matériaux semi-conducteurs des groupes III-V, tels que l’arséniure de gallium (GaAs), qui permettent d’améliorer la rapidité et la précision de la réponse spectrale. Les dispositifs sont également classés en homo-structures et hétéro-structures. Les homo-structures, fabriquées à partir d’un seul matériau (généralement du silicium), offrent un gain de l’ordre de 50 à quelques centaines. Les hétéro-structures, qui utilisent plusieurs matériaux différents pour leurs jonctions, peuvent atteindre des gains beaucoup plus élevés (jusqu’à 10 000) et des fréquences de fonctionnement supérieures, mais elles sont plus coûteuses à fabriquer. Ce choix de conception illustre un compromis fondamental : un gain accru et une réponse rapide viennent souvent avec un coût de fabrication plus élevé.

Le symbole schématique du phototransistor est similaire à celui d’un BJT standard, avec l’ajout de deux flèches indiquant l’entrée de la lumière incidente sur la base. Il existe deux configurations de brochage principales :

Version à deux broches : La plus courante, elle ne possède que les broches de collecteur et d’émetteur. Le signal de lumière est l’unique entrée qui contrôle le flux de courant.
Version à trois broches : Moins courante, elle inclut une connexion à la base. Cette troisième broche peut être utilisée pour ajuster les conditions de polarisation du transistor, par exemple en y connectant une résistance base-émetteur ( $R_{BE}$ ) pour moduler la sensibilité du composant et assurer une meilleure sortie numérique.

Types et Variantes de Phototransistors

L’écosystème des phototransistors comprend plusieurs variantes, chacune optimisée pour des applications spécifiques. Le type le plus répandu est le phototransistor bipolaire (BJT) standard, qui fonctionne comme un BJT ordinaire mais dont le courant de base est généré par la lumière.

Une variante notable est le phototransistor Darlington (ou photodarlington), qui intègre deux transistors en cascade dans un même boîtier. Le photocourant généré par la lumière sur le premier transistor est amplifié, puis il est utilisé comme courant de base pour le second transistor, dont la sortie amplifiée est beaucoup plus puissante. Cette configuration permet d’atteindre un gain de courant net impressionnant, parfois supérieur à 100 000. Le photodarlington est idéal pour la détection de très faibles niveaux de lumière, mais cette sensibilité accrue se fait au détriment de la vitesse de réponse. Il est la manifestation la plus extrême du compromis fondamental entre gain et bande passante inhérent à la conception des phototransistors.

D’autres types de phototransistors existent, tels que le phototransistor à avalanche, qui utilise une tension plus élevée pour induire un effet de multiplication par avalanche, et les phototransistors FET, qui offrent une réponse plus interrupteur et sont particulièrement utiles dans les systèmes de détection de lumière où une commutation précise est requise.

Caractéristiques Clés

Pour un ingénieur en électronique, il est crucial de comprendre les paramètres qui définissent la performance d’un phototransistor.

Sensibilité et Gain

La sensibilité d’un phototransistor est déterminée par deux facteurs principaux : la surface de la jonction collecteur-base exposée et le gain en courant continu (

hfe

) du transistor. La sensibilité est directement proportionnelle à la surface de la jonction, car une zone plus grande peut capter plus de photons. Cependant, le gain

hfe

n’est pas une constante; il varie en fonction du courant de base (donc de l’intensité lumineuse), de la tension de polarisation collecteur-émetteur (

Vce

) et de la température. À de faibles niveaux de lumière, le gain est faible, puis il augmente avec l’intensité lumineuse jusqu’à un pic, après quoi il diminue à mesure que le courant augmente.

Réponse Spectrale

Le rendement d’un phototransistor est directement lié à la longueur d’onde de la lumière incidente. Ces composants sont conçus pour répondre à une large gamme du spectre électromagnétique, allant du proche ultraviolet (UV), en passant par le visible, jusqu’au proche infrarouge (IR). La réponse spectrale de pointe se situe généralement dans le proche IR, autour de 840 nm. C’est une plage de longueurs d’onde qui les rend particulièrement efficaces lorsqu’ils sont couplés à des diodes électroluminescentes (LED) IR standard, comme les LED GaAs (940 nm) ou GaAlAs (880 nm).

Linéarité

La linéarité est un critère de performance essentiel. Contrairement à une photodiode, dont la sortie est très linéaire sur 7 à 9 décades d’intensité lumineuse, le courant de collecteur (

Ic

) d’un phototransistor n’est linéaire que sur 3 à 4 décades d’éclairement. Cette non-linéarité est une conséquence directe du fait que le gain

hfe

varie avec le courant de collecteur. Cela limite l’utilisation du phototransistor pour des applications de mesure de lumière de haute précision, où la photodiode est le choix privilégié.

Temps de Réponse et Courant d’Obscurité

Le temps de réponse, mesuré par le temps de montée ( $tr$ ) et le temps de descente ( $tf$ ), est une autre caractéristique cruciale. Le phototransistor est notoirement plus lent que la photodiode, principalement à cause de la grande capacité de la jonction collecteur-base. Cette capacité agit comme un filtre passe-bas qui ralentit la réponse du dispositif, limitant la bande passante typique à environ 250 kHz pour les dispositifs à homo-structure.

Même en l’absence de lumière, un faible courant continue de circuler dans le phototransistor. Ce courant, appelé courant d’obscurité ( $I_{D}$ ), est le résultat de l’amplification du courant de fuite de la jonction collecteur-base. Sa présence empêche le phototransistor d’agir comme un interrupteur idéalement ouvert et doit être prise en compte dans la conception du circuit. Le courant d’obscurité est fonction de la tension appliquée (

Vce

) et de la température ambiante.

Paramètre	Symbole	Description	Valeurs typiques
Courant du collecteur	Ic	Mesure de la sensibilité ; courant max. supporté	Jusqu’à 50 mA
Gain en courant continu	hfe	Facteur d’amplification du photocourant	50 à quelques centaines pour les homo-structures; jusqu’à 10 000 pour les hétéro-structures
Tension de claquage collecteur-émetteur	Vce	Tension maximale admissible entre collecteur et émetteur	20 à 50 V
Temps de montée	tr	Temps nécessaire pour que la sortie passe de 10% à 90%	Millisecondes à microsecondes
Temps de descente	tf	Temps nécessaire pour que la sortie passe de 90% à 10%	Millisecondes à microsecondes
Courant d’obscurité	Id	Courant de fuite en l’absence de lumière	Typiquement 10 à 100 nA6

Configurations de Circuits

Le phototransistor peut être exploité de deux manières fondamentales, ce qui détermine la nature de sa réponse électrique.

Mode commutation : C’est le mode de fonctionnement le plus courant pour le phototransistor. Dans ce mode non-linéaire, le composant se comporte comme un interrupteur. En l’absence de lumière, un courant minimal circule (le courant d’obscurité), et le transistor est en état off. Lorsque la lumière frappe la jonction, le courant augmente brusquement et le transistor passe rapidement à l’état de saturation, agissant comme un interrupteur fermé. Ce mode est particulièrement utile dans les applications numériques, telles que la détection d’objets ou les systèmes de comptage, où une simple réponse binaire (présence/absence de lumière) est nécessaire.
Mode actif : Bien que sa réponse ne soit pas parfaitement linéaire sur une large plage, le phototransistor peut être utilisé en mode actif où le courant de sortie est proportionnel à l’intensité lumineuse reçue. Toutefois, en raison de sa non-linéarité inhérente (due à la variation de $hfe$ ), ce mode est moins fréquent et réservé aux applications où une réponse approximative est acceptable.

Le choix du mode de fonctionnement est intrinsèquement lié à la topologie du circuit.

Configuration en émetteur commun : Il s’agit de la configuration la plus répandue pour les phototransistors. Le collecteur est connecté à la tension d’alimentation ( $Vcc$ ) via une résistance de charge, et la sortie est prise au niveau du collecteur. Dans cette configuration, la détection de la lumière provoque un passage de l’état de sortie de haut à bas.
Configuration en collecteur commun : Cette topologie, moins courante, est utilisée comme tampon de tension, offrant une impédance d’entrée élevée et une faible impédance de sortie. Dans cette configuration, la résistance de charge est connectée entre l’émetteur et la masse, et la sortie est prise au niveau de l’émetteur. La détection de la lumière provoque un passage de l’état de sortie de bas à haut.

La popularité du mode de commutation n’est pas une simple coïncidence ; elle est une réponse pragmatique à la principale limitation du phototransistor. Sa haute sensibilité et son gain le rendent idéal pour la détection de seuil, ce qui est la base de toute opération de commutation. En contournant sa non-linéarité inhérente et en s’appuyant sur sa capacité à fournir un signal fort pour de faibles déclencheurs, le phototransistor excelle dans son rôle d’interrupteur optique.

Comparaison avec d’autres Photodétecteurs

Le phototransistor ne se comprend pleinement que par sa place dans le spectre des capteurs optiques. Une comparaison avec la photodiode et la photorésistance met en évidence ses forces et ses faiblesses.

Phototransistor VS Photodiode

Structure et principe : La photodiode est une diode à jonction PN qui convertit l’énergie lumineuse en courant électrique. Le phototransistor est un transistor qui amplifie ce signal.
Sensibilité et gain : Le phototransistor est significativement plus sensible (50 à 100 fois plus) que la photodiode, car il intègre un gain interne qui amplifie le courant généré par la lumière.
Temps de réponse : La photodiode est nettement plus rapide (temps de réponse en nanosecondes ou microsecondes) que le phototransistor (en microsecondes ou millisecondes).
Linéarité : La photodiode offre une réponse exceptionnellement linéaire sur une large plage d’éclairement, ce qui la rend supérieure pour la mesure précise de l’intensité lumineuse. Le phototransistor est non-linéaire et moins adapté à cette tâche.
Courant et tension : Le phototransistor peut gérer un courant de sortie beaucoup plus élevé, jusqu’à 50 mA, alors que les photodiodes ont une capacité de courant plus faible. Contrairement à la photodiode qui ne produit que du courant, le phototransistor peut générer à la fois du courant et de la tension.
Applications : La photodiode est le choix de prédilection pour les applications à haute vitesse, telles que les communications par fibre optique et la détection de lumière laser de haute précision. Le phototransistor, quant à lui, est idéal pour les applications où la sensibilité prime sur la vitesse, comme dans les télécommandes, les systèmes de comptage ou les détecteurs de fumée.

Phototransistor VS Photorésistance

Principe de fonctionnement : La LDR est un composant passif dont la résistance diminue lorsque l’intensité lumineuse augmente. Le phototransistor est un semi-conducteur actif qui produit un courant électrique.
Vitesse : Les LDR sont extrêmement lents, avec des temps de réponse pouvant atteindre une seconde pour passer d’un état éclairé à un état sombre. Les phototransistors sont infiniment plus rapides et peuvent délivrer une réponse quasi instantanée.
Coût et simplicité : Les LDR sont des composants plus simples et généralement moins chers que les phototransistors, ce qui les rend populaires pour des projets de loisirs et des applications non-critiques.
Sensibilité à la température : La résistance d’une LDR est très sensible aux variations de température, la rendant peu fiable pour les mesures précises. Bien que le phototransistor soit aussi sensible à la température, son comportement est plus prévisible et documenté par les fabricants.

Caractéristique	Phototransistor	Photodiode	Photorésistance
Principe de fonctionnement	Transistor (BJT) à base optique	Diode à jonction PN	Résistance variable photo-conductrice
Sensibilité	Très élevée (gain interne)	Faible	Faible à modérée
Temps de réponse	Lent (µs-ms)	Très rapide (ns-µs)	Très lent (ms-s)
Linéarité	Faible (3-4 décades)	Très élevée (7-9 décades)	Faible
Sortie électrique	Courant amplifié, peut produire une tension	Courant seulement	Résistance (pas de courant/tension intrinsèque)
Coût et complexité	Faible coût, simple d’utilisation (auto-amplification)	Faible coût, circuit plus complexe (nécessite un ampli-op)	Très faible coût, très simple
Applications typiques	Détecteurs de mouvement, compteurs, télécommandes, optocoupleurs	Communications par fibre optique, compteurs de lumière, détecteurs UV/IR	Lampes de rue automatiques, systèmes de sécurité simples

Applications Pratiques

Le phototransistor, grâce à sa combinaison unique de détection et d’amplification, trouve sa place dans une variété d’applications concrète. Sa haute efficacité en tant qu’interrupteur optique le rend particulièrement utile dans les systèmes où la présence ou l’absence de lumière doit déclencher une action.

Parmi les applications courantes, on trouve :

Systèmes de comptage : Ils sont utilisés pour compter des objets sur une ligne de production ou des pièces de monnaie en interrompant un faisceau lumineux.
Systèmes de sécurité : Les barrières optiques et les rideaux de sécurité utilisent des paires émetteur-détecteur pour signaler une intrusion lorsque le faisceau est coupé.
Détection de position : Dans les imprimantes et les photocopieuses, ils permettent de contrôler le positionnement du papier et de l’encre.
Télécommandes infrarouges : Ils agissent comme récepteurs de signaux modulés émis par des LED IR.
Opto-coupleurs : En association avec une LED, le phototransistor sert à transférer des signaux électriques entre deux circuits électriquement isolés, une technique essentielle pour la sécurité et la suppression du bruit.

Le choix du bon phototransistor pour une application donnée dépend d’une analyse rigoureuse des besoins, en se basant sur les compromis de performance du composant.

Niveau de lumière : Pour des environnements à faible luminosité ou pour la détection de signaux faibles, il est recommandé de choisir un phototransistor Darlington en raison de sa sensibilité accrue.
Vitesse : Si le projet nécessite une réponse rapide, comme pour la détection de données à haut débit, une photodiode est la meilleure option. Un phototransistor standard à hétéro-structure peut être un compromis acceptable si un gain modéré est requis, bien que leur coût de production soit plus élevé.
Linéarité : Pour la mesure analogique précise de l’intensité lumineuse (par exemple, dans un luxmètre), la non-linéarité du phototransistor le rend moins adapté. Il est préférable d’utiliser une photodiode couplée à un amplificateur.
Coût et simplicité : Les phototransistors bipolaires standard restent un excellent choix pour les applications de commutation où le coût et la facilité d’intégration sont les principales contraintes. Leur capacité à amplifier le signal sans composants externes additionnels simplifie grandement la conception du circuit.
Réponse spectrale : Il est crucial de s’assurer que la réponse spectrale de pointe du phototransistor corresponde à la longueur d’onde de la source lumineuse utilisée, par exemple en couplant un phototransistor optimisé pour le proche IR avec une LED IR.

Conclusion

Le phototransistor occupe une place unique et indispensable dans le domaine de l’optoélectronique. En fusionnant la fonction de détection de lumière avec celle d’amplification de courant en un seul composant, il offre une solution simple et rentable pour une multitude d’applications. Sa haute sensibilité et sa capacité à fournir un signal de sortie puissant le rendent particulièrement efficace comme interrupteur optique et capteur de présence.

Toutefois, sa sélection et son intégration dans un circuit doivent être effectuées avec une pleine conscience de ses compromis. Sa réponse relativement lente et sa non-linéarité le distinguent clairement des photodiodes, qui excellent dans les applications de mesure de précision et de haute vitesse. Le phototransistor est le composant de choix là où sa sensibilité élevée et son rôle d’interrupteur sont les atouts primordiaux, là où la vitesse en millisecondes et la linéarité sur une plage restreinte sont suffisantes. C’est la compréhension de ces compromis qui permet de tirer pleinement parti de la puissance et de la polyvalence de ce composant semi-conducteur fascinant.