Applications modernes des quanta : capteurs d'images et photopiles

Terminale générale Spé · Physique-Chimie Spé Terminale

À retenir

• Effet photoélectrique interne : excitation d'électrons dans un semi-conducteur (franchissement du gap E_g). • Condition de gap : h E_g h c/E_g. • Silicium (E_g = 1,12 eV) : absorbe tous les photons avec 1100 nm (visible + proche IR). • Capteurs CCD/CMOS : comptage de photons transformés en charges électriques par pixel. • Cellules photovoltaïques : jonction p-n transformant les photons absorbés en courant continu.

Le cours

Effet photoélectrique interne dans les semi-conducteurs et transition énergétique La physique quantique et l'effet photoélectrique sont à la base des technologies numériques et de la transition énergétique contemporaine : • Dans les semi-conducteurs (comme le silicium), on exploite l'effet photoélectrique interne (ou effet photovoltaïque) : - Les électrons ne sont pas éjectés hors de la matière dans le vide, mais franchissent une bande interdite (le gap d'énergie E_g) séparant la bande de valence de la bande de conduction. - Pour exciter un électron et créer une paire électron-trou mobile, le photon absorbé doit posséder une énergie supérieure ou égale au gap : h E_g h c/E_g Pour le silicium (E_g 1,12 eV), le seuil est _ 1100 nm, ce qui englobe tout le spectre visible et le proche infrarouge. • Deux applications technologiques majeures : 1. Capteurs d'images numériques (CCD et CMOS) : des millions de minuscules photodiodes (pixels) transforment chaque paquet de photons incidents en charges électriques. Le nombre d'électrons accumulés par puits est directement proportionnel à l'éclairement reçu par le pixel, permettant de numériser des images en haute résolution (appareils photo, smartphones, télescopes spatiaux comme Hubble). 2. Cellules solaires photovoltaïques : une jonction p-n soumise à la lumière génère un champ électrique interne qui sépare les charges créées et fournit une force électromotrice continue, transformant directement la lumière solaire en électricité verte (rendement usuel de 18\% à 24\%).

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