Brevet FR2002179A1 — publié le 19691017

La présente invention concerne la détection ou l'amplification de rayons se situant dans l'infrarouge et dans l'infrarouge lointain et, plus particulièrement, elle a trait à un dispositif de détection spectrale utilisant un élément de structure MOS (métal 5 oxyde-semi-conducteur)• On connaît, à ce jour, de nombreux détecteurs semi-conducteurs dans lesquels l'énergie d'une radiation dans la gamme s'échelonnant de 1*infrarouge à l'infrarouge lointain est transformée en un signal électrique. Ces détecteurs sont habituellement sensibles 10 des longueurs d'ondes dans une large gamme et, par conséquent, ils ne peuvent détecter qu'une composante désirée de longueur d'onde0 C'est pourquoi, un dispositif de dispersion, tel qu'un prisme, un réseau de diffraction ou une combinaison de filtres, est nécessaire pour une détection spectrale mais le dispositif utilisé à cet effet 15 est alors encombrant et compliqué. En outre, on ne connaît qu'un faible nombre de dispositifs semi-conducteurs dans lesquels on peut détecter, par voie spectrale ladite énergie de radiation.» L'un de ces dispositifs est celui dans lequel des rayons 20 infra-rouges sont envoyés sur un corps de cristal InSb auquel on applique une pression hydrostatique variable et la discontinuité d'absorption du cristal est modifiée dans une gamme de \ 6/€* par la pression appliquée, la détection spectrale étant de ce fait exécutéeo 25 Un autre 4e ces dispositifs est un semi-conducteur utilisant un effet magnétique, dans lequel l'énergie des rayons infrarouges est absorbée par résonance du fait du mouvement de cyclotron des porteurs dans un cristal semi-conducteur auquel est appliqué un champ magnétique et la composante de longueur d'onde à absorber va— 30 rie avec l'intensité du champ magnétique. Comme on peut le voir à la lecture de la description ci-dessus, un dispositif classique dans lequel sont détectés par voie spectrale des rayons infrarouges exige divers dispositifs de disper sion et, par conséquent, non seulement ce dispositif est encombrant 35 et compliqué mais la plage d1exploration de la composante de longueur d'onde est étroite et la vitesse d'exploration est faible. La présente invention a pour objet un dispositif à semiconducteurs dont la structure est simple et qui peut exécuter une détection spectrale de l'infrarouge et de l'infrarouge lointain. 40 Suivant une caractéristique de la présente invention, la 69 04053 a 2002179 demanderesse a créé un détecteur capable de détecter, de façon continue et par voie spectrale, l'infrarouge et l'infrarouge lointain dans une gamme de longueurs d'ondes comprise entre plusieurs microns et plusieurs dizaines de microns0 5 Suivant une autre caractéristique de la présente invention^, la demanderesse a créé un détecteur du type à exploration ou balayage qui effectue une détection spectrale dans ladite gamme de longueurs d'ondes, cela de façon répétée et à une vitesse élevée correspondant à une vitesse de l'ordre de 100 kHz» 10 Suivant une autre caractéristique encore de la présente in vention, la demanderesse a créé un dispositif nouveau qui amplifie une énergie de radiation dans une gamme s'échelonnant de l'infrarouge jusqu'à l'infrarouge lointain grâce à l'émission stimulée d'une radiation» 15 Suivant une caractéristique supplémentaire de la présente invention, la demanderesse a créé un dispositif qui peut remplir les fonctions mentionnées ci-dessus tout en étant robuste et peu coûteux» Conformément à la présente invention, la demanderesse a 20 créé un dispositif électronique du type dit à"l'état solide" (c'est-à-dire ne comportant que des éléments du genre semi-conduc-teurs) destiné à détecter ou à amplifier un faisceau de radiations dans la plage s'échelonnant de l'infrarouge à l'infrarouge lointain, ce dispositif comprenant (a) un élément MOS ayant la pro-25 priété de produire une couche d'inversion en son sein en réponse à une tension de commande qui y est appliquée, (b) un dispositif pour refroidir ledit élément jusqu'à une température basse telle que la quasi-totalité des porteurs se trouvant dans la couche d'inversion précitée peuplent le niveau quantique fondamental formé 30 dans cette couche, ce dispositif de refroidissement étant muni d'un dispositif formant un trajet optique de manière à diriger un fàis— ceau de radiation jusqu'à ladite couche d'inversion, (c) une source de tension destinée à appliquer une tension de commande variable audit élément, de manière à commander la différence d'énergie entre 35 le niveau fondamental précité et un niveau excité formé dans ladite couche d'inversion et, enfin, (d) un circuit électrique destiné au réglage et à la mesure de l'intensité d'un courant de canal traversant ladite couche, grâce à quoi la transition électronique entre lesdits niveaux a lieu de façon correspondante audit courant &%, 40 à ladite radiation de manière à assurer une détection ou une ampli— 69 04053 3 2002179 fication de cette radiation, La présente invention, décrite brièvement ci-dessus, est basée sur le moyen général décrit ci-après. Comme il est bien connu, lorsqu'une tension élevée est appliquée entre une couche métalli-5 que et une couche semi-conductrice d'un élément de structure MOS, de nombreux porteurs s'accumulent sur la surface du semi-conducteur qui est en contact avec une couche isolante et il se forme, sur la surface, une "vallée" de potentiel prononcée et il se forme aussi, à cet endroit, une mince couche d'inversion dont le type de conduc-10 tivité est opposé au type de conductivité initial du corps semiconducteur. Par exemple, la couche d'inversion a une épaisseur ou profondeur comprise entre 500 S, et 600 X. lorsque des électrons se 11 sont accumulés suivant une densité superficielle de 5x10 élec-2 trons/cm sur la surface d'un corps InSb du type P à une températu-15 re de 4,2°K, A ce moment, la longueur d'onde de Broglie = k de l'électron est comprise entre 500 & et 600 &, V2m*kT où h est la constante de Planck, m* est la masse effective de l'électron, k est la constante de Boltzmann et T est la température de l'élément exprimée en degrés K. Le mouvement d'électron dans une direction perpendiculaire à la surface est quantifié et des niveaux quantiques discrets se forment dans la couche d'inversion en raison du fait que la largeur de la "vallée" de potentiel et que la longueur d'onde de Broglie sont comparables, 25 Ces niveaux d'énergie quantifiés E^ sont exprimés en fonc tion de la densité de charge superficielle n comme suit : 1.22 / 37TV° 20 30 Ei ~ l 1 m*I où m* est la masse effective de l'électron, n est la constante de Planck h divisée par 2 Tf' t £, est la constante diélectrique du semiconducteur et ^ est un nombre quantique tel que 0, 1, 2, etc... 35 Bien entendu, E^ dépend de quantités physiques telles que la largeur de la bande interdite du semi-conducteur, la concentration des impuretés et la tension de commande, bien que E^ soit exprimée comme étant une fonction n dans l'équation ci-dessus, s Lorsque A E, c'est-à-dire la différence (E^-Eq) entre le 69 04053 4 2002179 premier niveau excité et le niveau fondamental Eq9 est beaucoup plus grand que l'énergie moyenne kT (k est la constante de Boltzmann et T est la température de l'élément exprimée en °E) des électrons, le premier niveau excité est entièrement distinct dm 5 veau fondamental. Ici, la valeurA E dépend aussi de la tension, de commande, comme c'est le cas pour Eq et . Quand l'élément MOS a été refroidi jusqu'à une température basse telle que la plupart des électrons peuplent le niveau fonda*» mental en raison d'une diminution de l'énergie moyenne des élec-10 trons et quand un faisceau de radiation est dirigé sur la couche d'inversion, une partie des électrons situés dans le niveau fondamental se trouve excitée jusqu'au premier niveau excité par absorption du faisceau de raàiation» Une telle transition électronique entre les niveaux modifie le courant de canal traversant la cotie&e 15 d'inversion. De ce fait, l'intensité du faisceau de radiation peut être détectée sous la forme d'une variation du courant de canal a De plus, lorsque les électrons se trouvant dans le niveam fondamental ont été suffisamment excités par une tension intense cathode-anode, une grande quantité des électrons passe par excita-20 tion au premier niveau excité et il se produit une inversion de population. Quand un faisceau de radiation ayant une longueur d'onde équivalente à A® est dirigé sur la couche d'inversion de l'élément MOS se trouvant dans cet état, le faisceau de radiation incident se trouve amplifié par l'émission stimulée. 25 D'autres caractéristiques, moyens généraux et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre de quelques modes de réalisation préférés faite en référence au dessin annexé, sur lequel : Les fig. 1 et 2 sont, respectivement, une coupe d'un élément 30 de structure MOS et un schéma synoptique d'un circuit relié à cet élément, cet élément et ce circuit étant utilisés dans un mode de réalisation de la présente invention pour détecter un faisceau de radiation. Sur la fig. 2, S.T.V.C. signifie source de tension variable de commande, C signifie charge, A.C-À signifie alimentation 35 cathode-anode, C.D signifie circuit de détection et E signifie enregistreur ; les fig. 3a et 3b-sont des coupes de modes de réalisation de la présente invention dans lesquelles n'ont pas été représentées les connexions électriques. 40 la fig. 4 est un diagramme d'énergie de l'élément de la fig.1 69 04053 2002179 utilisé dans les modes de réalisation des fig» 3a et 3b j sur cette figure, l'abréviation N.E. signifie niveau d'énergie ; la fig» 5 est un graphique montrant la caractéristique cou-rant-tension du courant de canal traversant la couche d'inversion 5 dans l'élément utilisé dans les modes de réalisation des fig» 3a et 3b J la fig» 6 est un graphique montrant la caractéristique courant—tension de la fig. 5 quand un faisceau de radiation est dirigé sur la couche d'inversion ; 10 les fig. 7a et 7b sont des graphiques montrant, respective ment, la photosensibilité (portée en ordonnée et exprimée en unités arbitraires) et la photosensibilité différentielle (portée en ordonnée et exprimée en unités arbitraires) dudit élément en fonction de la tension de commande ou de porte (portée en abscisse et expri-15 mée en unités arbitraires) j la fig. 8 est un schéma synoptique d'un circuit permettant d'obtenir ladite caractéristique de photosensibilité différentielle en fonction de la tension de commande ; sur cette figure AoC.C. signifie alimentation de courant de canal, S.ToC.E» signifie source 20 de tension de commande d'exploration, A.S. signifie amplificateur de synchronisation, C.D signifie circuit de différentiation, 0 signifie oscilloscope } la fig. 9 est un graphique montrant la relation existant entre la tension de commande et le niveau d'énergie d'un élément uti-25 lisé dans un mode de réalisation du spectromètre à exploration ou balayage conforme à la présente invention j la fig. 10 est un graphique montrant la relation étroite entre la discontinuité d'absorption et la tension de commande dudit élément j sur ce graphique, le courant de canal est porté en ordon-30 née et la longueur d'onde À est portée en abscisse ; la fig. 11 est un schéma synoptique montrant un circuit de calcul destiné au courant de canal et utilisé dans les modes de réalisation précités j sur cette figure, S.P signifie source de polarisation, G.D.S signifie générateur d'onde en dents de scie, A 35 signifie atténuateur, P.G.C signifie premier générateur de courant, S.G-.C signifie second générateur de courant, E.C signifie électrode de commande, C.C signifie courant de canal et D signifie diviseur j la fig. 12 est un schéma dont une partie est synoptique et dont l'autre est en coupe, ce schéma montrant la structure et la 40 connexion électrique des modes de réalisation précités ; sur cette 69 04053 2002179 figure t S.C.E signifie source de commande d'exploration, C.C.C.L^ .> signifie circuit de conversion et de correction de longueur d'onck»,, A.C-A signifie alimentation cathode-andde, C.A.C.D signifie circuit; d'amplification de calcul et de différentiation, 0 signifie oscil*» 5 loscope et C signifie charge j la fig. 13 est un diagramme d'énergie illustrant l'émission stimulée se produisant dans un mode de réalisation conforme à la présente invention destiné à amplifier un faisceau de radiation. On va décrire d'abord la structure, le mode de fonctionne-10 ment et les caractéristiques d'un mode de réalisation destiné a détecter un faisceau de radiation conformément à la présente invention. On peut voir sur la fig. 1 que l'on a représenté une coupe d'un élément MOS utilisé dans un mode de réalisation de la présente 15 invention,, L'une des surfaces d'un corps 1 d'un cristal semi—conducteur du type F est revêtue par une couche isolante 2 (par exemple une couche de SiO ou de SiO ) qui est elle-même revêtue d'une m mince couche métallique 4. La couche métallique 4 est utilisée cota» électrode de commande et comme surface destinée à recevoir un fais-» 20 ceau de radiation 3. On fait en sorte que la couche 4 soit mince de manière que le faisceau incident puisse la traverser et on la constitue avec une matière telle que Au#^u Al suivant la gamme de longueurs d'ondes que l'on désire transmettre. On forme sur ladite surface du corps cristallin 1, au moyen 25 du procédé de diffusion, des couches du type n+ référencées 5 et qui sont utilisées comme électrode de cathode et comme électrode d'anode, respectivement. Dans le présent cas, les électrodes de cathode et d'anode peuvent être constituées par des couches de métal évaporé qui sont en contact ohmique avec le corps cristallin 1 au 30 lieu des couches diffusées 5 et 6. En outre, dans le cas où l'on utilise un cristal semi-conducteur qui n'absorbe sensiblement pas un faisceau de radiation dans la plage de longueurs d'ondes désirée* on peut faire en sorte que le faisceau de radiation atteigne la couche d'inversion en le dirigeant sur la surface du corps semi-35 conducteur qui se trouve à l'opposé de la surface en contact avec la couche isolante,. Sur la fig. 2, on a représenté un schéma synoptique d'un circuit relié audit élément. Une source de tension de commande variable est reliée à l'électrode de commande 4 et une tension de 40 commande variable est appliquée à l'élément. L'électrode de cathode 69 04053 7 2002179 5 et l'électrode d'anode 6 sont reliées à une alimentation varia-ble cathode-anode par l'intermédiaire d'une charge, et une tension désirée cathode—anode est appliquée à cette dernière® Un courant de canal passant par ce circuit est détecté et enregistré par un 5 circuit de détection et par un enregistreur sous la forme d'une tension de charge. Sur les fig» 3a, et 3b, on a représenté des coupes de structures de mode de réalisation de l'invention où l'on a supprimé la connexion électrique. Un élément tel que celui représenté sur la 10 fig. 1 est placé dans un cryostat muni d'un dispositif constituant un trajet optique destiné à guider un faisceau de radiation jusqu'à l'élément. Sur les figures, un vase Dewar 8, contenant de l'hélium liquide, est protégé contre la température ambiante par de l'azote liquide contenu dans un vase Dewar 7» L'élément 9 est monté sur un 15 support 10 et est immergé dans l'hélium liquide. Le dispositif 43 constituant le trajet optique et comprenant les éléments de fenêtre 11 faite d'une matière telle que du "KES-S'1 et un miroir 12 dirige le faisceau de radiation 3 jusqu'à lëLément 9. Les éléments de fenêtre 11 transmettent la composante désirée de longueur d'onde et 20 interceptent les composantes de longueurs d'ondes courtes qui ne sont pas nécessaires. Le miroir 12 dévie le trajet optique. Le faisceau de radiation 3 est interrompu périodiquement par un obturateur ou hacheur optique rotatif 14 disposé à l'entrée du dispositif constituant le trajet optique., Ici, les conducteurs reliés à l'élément 9 25 ainsi qu'au circuit électrique n'ont pas été représentés. Quand une tension positive est appliquée à l'électrode de commande dudit élément, de nombreux électrons s'accumulent sur la surface du semi-conducteur qui est en contact avec la couche isolante, et une couche dite d'inversion est créée à cet endroit. 30 i,a fig. 4 montre des niveaux d'énergie d'électrons à ladite surface et au voisinage de cette surface. Les régions désignées par (I), (II) et (III) sont, respectivement, une couche métallique, une couche isolante et une couche semi-conductrice. Il se crée une "vallée" de potentiel prononcée à la surface du semi-conducteur, 35 comme décrit précédemment et comme rejjrésenté sur la figure. La référence 15 indique le niveau inférieur de la bande de conduction et la référence 16 indique le niveau supérieur de la bande remplie. En outre, E~ indique le niveau d'énergie de Fermi et E représente / la hauteur (intervalle d'énergie) de la bande interdite» De plus, 40 des niveaux quantifiés bien distincts Eq, E^, Eg ... (niveau fonda 69 04053 8 20DIî/v mental, premier niveau excité, second niveau excité ...) sont créés à la surface du semi-conducteur en raison du fait que l'élément est refroidi jusqu'à une température basse telle que celle de l'hélium liquide» 5 Quand le faisceau de radiation atteint la couche d'inversion, de ce mode de réalisation, l'énergie de la radiation peut exciter des électrons se trouvant dans le niveau fondamental jusqu'aux niveaux excités. Une telle transition électronique entre les niveaux quantiques entraîne à une tension approjiriée cathode-anode une va-10 riation nette du courant de canal, en raison du fait que les électrons se trouvant à des nivèaux d'énergie différents ont des mobilités différentes. Des expériences ont confirmé qu'une telle transition électronique entre les niveaux quantiques peut provenir non seulement de l'absorption de l'énergie de radiation mais également 15 d'une excitation des électrons au moyen de la tension cathode-anode. Sur la fig» 5, on a représenté un graphique de résultats obtenus expérimentalement du rapport entre la tension cathode-anode Tsd (portée en abscisse et exprimée en unités arbitraires) et le 20 courant de canal Isd (porté en ordonnée et exprimé en unités arbitraires) dans l'état où aucune énergie de radiation n'est présente. Trois courbes montrent les résultats obtenus pour trois tensions de commande différentes VG1 * YG2 et YG3 (\1 Sur la fig. 6, on a représenté des résultats d'expérience où 30 l'on dirige un faisceau de radiation sur l'élément auquel on applique la tension de commande . Sur le graphique Yg^ et ont la même signification que sur la fig. 5. La courbe indiquée par 1=0 montre le résultat obtenu lorsque le faisceau de radiation est interrompu et les courbes indiquées par 1^, Igj I3» I4» I5 et Ig sont 35 des résultats obtenus lorsque le faisceau de radiation est dirigé sur l'élément (intensité de radiation 1^ Ig ■ 69 04053 9 2002179 de V^-j | le courant de canal change brusquement à la tension de com-i mande . En d'autres termes, la photosensibilité de l'élément montre une variation brusque à la valeur %1 de la tension de commande, comme représenté sur la fig. 7a0 En conséquence, la valeur 5 différentielle de la photosensibilité par rapport à la tension de commande donne naissance à une impulsion à profil très pointu comme on peut le voir sur la fig® 7b» Sur la fig. 8, on a représenté un schéma synoptique d'un circuit permettant le fonctionnement précité. Le faisceau de radiation 1Q est dirigé sur l'élément après avoir été interrompu périodiquement par le dispositif obturateur ou hacheur optique précité. Le courant de canal est amplifié par un amplificateur de synchronisation couplé au hacheur optique de manière à produire un faible bruit. La sortie amplifiée correspondant à la tension de commande est diffé-15 renciée puis est détectée par un oscilloscope. Bien que la détection utilise un phénomène de charge superficielle, la radiation peut être détectée avec un rapport signal/bruit élevé au moyen de l'agencement décrit ci-dessus conforme à la présente invention. On va maintenant décrire en détail un spectromètre à explo-20 ration ou balayage de la présente invention qui détecte, par voie spectrale, l'énergie d'une radiation» On a mentionné ci-avant que la transition électronique entre les niveaux quantiques était produite par l'énergie d'une radiation dirigée sur la couche d'inversion de l'élément MOS maintenu à une 25 température basse. Dans ce cas, la composante de longueur d'onde qui joue un rôle effectif pour la transition électronique est la composante dont la longueur d'onde est plus courte que la longueur d'onde équivalant à la différence d'énergie A E — E^ - Eq. La composante de longueur d'onde plus longue traverse la couche d'inver-30 sion sans provoquer de transition électronique et n'exerce pas d'influence sur le courant de canal. En d'autres termes, l'élément comporte une discontinuité ou limite d'absorption équivalaht à 1*énergie A E = E.j - Eq. Comme on l'a décrit précédemment, les niveaux quantiques Eq, E^, E2 ... sont fonction de la tension de com-35 mande et, par conséquent,A. E = E^ - Eq, c'est-à-dire que la discontinuité d'absorption change également avec la tension de commande. Si l'on se réfère à la fig. 9, on peut voir que la relation étroite entre les niveaux quantiques et la tension de commande est 40 représentée à propos d'un élément MOS utilisant un cristal InSb du 69 04053 ",0 2002179 "type £• Les niveaux d'énergie Eq, E^ et Eg sont, respectivement, le niveau fondamental, le premier niveau excité et le second niveau excité et Ep, est le niveau de Fermi. Quand Ep se trouve dans la gamme comprise entre Eq et E2» la probabilité d'une transition. 5 de résonance est élevée et ladite transition est utilisée effectivement dans cette gamme» Sur cette figure 9j A B — Eq à la-tension YGa» VGb e"k correspond à l'énergie de photon de longueurs d'ondes de 15J), , 20p* et 60Jls respectivement. De ce fait, lorsque la tension de commande varie de 40 volts à 100 volts, la 10 discontinuité d'absorption varie de 60^, à 15JJL> • La relation étroite décrite entre les niveaux quantiques et la tension de commande a été obtenue pour un certain élément et cette relation étroite varie avec l'état de surface du semi—conducteur, avec l'épaisseur de la couche isolante et autres caracté-15 ristiques physiques analogues. Dans le cas d'un élément MOS utilisant du InSb, on peut utiliser une discontinuité d'absorption d'environ 5jl à 60 jh a Des gammes utilisables de discontinuité d'absorption de divers éléments MOS faisant appel à d'autres semi-conducteurs sont 20 indiquées dans le tableau suivant : 25 30 Ce mode de réalisation permet de détecter par voie spectrale un faisceau de radiation utilisant la variation de discontinuité d'absorption provenant de la variation de la tension de commande et on va décrire la structure de ce mode de réalisation. La varia-35 tion de la tension de commande non seulement modifie la discontinuité d'absorption mais également la photosensibilité de l'élément» Sur la fig. 10, on a représenté un diagramme illustrant le phénomène décrit ci-dessus, c'est-à-dire que ce diagramme montre la variation du courant de canal en fonction de la variation de la 40 longueur d'onde de la radiation quand la tension de commande est Gamme utilisable de discontinuités d'absorption Matière semi- conductrice Largeur de la bande interdite à 4,2°K Constante diélectrique spécifique 5 c^y 60 Jh InSb 0,236 eV 16 10 ^ 30 '• InAs 0,43 12,6 13 ^ 26 « GaSb 0,813 11,24 15 30 » GaÀs 1,52 12,96 69 04053 n 2002179 15 20 fixée à diverses valeurs et quand l'énergie de radiations de diverses longueurs d'ondes est dirigée sur un élément auquel on applique une tension cathode-anode Vsd faible au point que la transition électronique n'est pas provoquée par l'excitation de champ<> 5 Comme on peut le voir sur le diagramme, non seulement la discontinuité d'absorption . mais aussi le courant photo-électrique I . Jr*** et le courant d'obscurité I,. varie varient avec la tension de di commande. Par suite, la détection spectrale du faisceau de radiations doit être effectuée de manière à compenser ladite varia-10 tion de photosensibilité. Quand un faisceau de radiation ayant une répartition d'intensité f( /V ) est dirigé sur un élément auquel on applique une tension de commande un courant de canal Ç A ai Igd = Upi - ^i) \ f(/l ) d A + ïdi est Produit, où J ^"min A est la plus courte longueur d'onde du faisceau de radiations dirigé sur l'élément» En supposant que et que sont à peu près égaux à 1^ —o( Yq et Ip — (5 Vp , respectivement, l'équation ci-dessus peut être exprimée comme suit s Ig(j - (I - Vjj) = ( f(/\)d/\0Le membre de gauche de cette équation est le courant de canal transformé par la tension de commande Vq. et par les constantes d'éléments tels que 1^ , Ip , et P • Par ailleurs, le membre de droite montre l'intensité de radiation intégrée à partir de la longueur d'onde la plus courte . par rapport à la discontinuité d'absorption A a De ce fait, au fur et à mesure que la tension de commande se déplace vers des valeurs plus faibles pendant qu'a lieu la conversion, il se produit successivement des courants de canal convertis correspondant à des intégrations du faisceau de radiations depuis une longueur d'onde courte jusqu'à une longueur d'onde plus longueo Sur la fig. 11, on a représenté un schéma synoptique d'un 25 30 35 40 69 04053 12 i /y 'circuit de calcul permettant d'effectuer ladite conversion.. La tension de commande Vq qui change périodiquement est créée par une source de polarisation et un générateur d'onde en dents de scie et elle est appliquée à l'électrode de commande ou électrode de porte. 5 La tension de commande est aussi appliquée à un atténuateur et elle est convertie en courant de valeur ( )V^o Le courant ( - P ) Yq est ajouté à un courant (1^ - I p, ) en provenance d'un premier générateur de courant et le courant résultant (I^ - I p ) - —P ) Yq est appliqué à un diviseur. En outre, un courant G^Vq. en prove-10 nance d'un autre atténuateur, un courant GIp en provenance d'un second générateur de courant et un courant de canal amplifié sont ajoutés ensemble, et le courant résultant G(Ig^ - ïp —Y est aussi appliqué au diviseur. Ici, G est un facteur d'amplification désiré. Par conséquent, la sortie du diviseur devient s 15 ^^sd ~ P . et cette expression est égale à : 20 \ f(À ) d A- qu'amplifie le facteur G. Bu fait que la , min tension de commande varie périodiquement dans ledit circuit, la sortie du diviseur indique périodiquement des valeurs de l'intensité de radiation intégrées successivement jusqu'aux longueurs d'on-25 des plus longues. Par suite, lorsque la sortie exprimée par l'équation ci-dessUs est différenciée en synchronisme avec la tension de commande, une sortie électrique correspondant à la répartition d'intensité F( ^\ ) est obtenue périodiquement. De ce fait, dans un tel agencement de circuit, on peut obtenir un spectromètre à lectu-30 re directe en faisant varier de façon continue la tension de commande à une vitesse relativement faible et en appliquant la sortie électrique précitée à un dispositif d'affichage (par exemple un enregistreur). Par ailleurs, le logarithme de chacun des niveaux quantiques Eq et E^ varie linéairement par rapport au logarithme 35 de la tension de commande, comme on peut le voir sur la fig. 9« Par suite, la valeur d'énergie (E^ - E2) correspondant à la discontinuité d'absorption ne varie pas linéairement par rapport à la tension de commande. Par conséquent, lorsque la tension de commande est convertie par un circuit comportant un élément non linéaire de 40 façon telle que la limite d'absorption X ou son inverse varie 69 04053 2002179 linéairement par rapport au temps et lorsque la sortie convertie est appliquée à la borne de balayage d'un oscilloscope (la sortie décrite ci-dessus étant appliquée à sa borne d'entrée de signal), la répartition de l'intensité de la radiation par rapport à la lon-5 gueur d'onde ou nombre d'onde est affichée sur l'écran du tube à rayons cathodiques» Si l'on se réfère à la fig« 12, on voit que l'on a représenté, d'une part, une coupe du spectromètre à balayage de la présente invention qui comprend l'agencement décrit ci-dessus et, d'autre 10 part, un schéma synoptique du circuit. Un élément MOS 29, constitué par un corps 21 de cristal InSb du type £, une couche isolante 22, une couche métallique 24 et des électrodes de cathode et d'anode 25 et 26, est maintenu par un support 30 et est immergé dans de l'hélium liquide 34 se trouvant dans un vase Dewar 28 protégé 15 de la température ambiante par de l'azote liquide 35 contenu dans un récipient Dearar 27. Le support 30 est accouplé à un dispositif 33 établissant un circuit optique et destiné à diriger un faisceau de radiations 23 sur l'élément 29. Le dispositif 33 établissant un trajet optique comporte un miroir 32 et un filtre 40 qui, respec-20 tivement, devient le faisceau de radiations et interrompt la composante de longueur d'onde courte du faisceau de radiations 23» De ce fait, seule une composante de longueur d'onde plus longu^*"*^^^ (par exemple 5/* ) pénètre dans l'élément» Par ailleurs, des dispositifs 41 et 42 de support d'échantillons sont prévus, respecti-25 vement, dans le support 30 et dans le dispositif d'établissement de trajet optique 33, de manière que l'on puisse mesurer le coefficient d'absorption spectrale de l'échantillon aux températures basses et à la température ambiante. Un conducteur 36, s'étendant à partir du cristal semi-con-30 ducteur 21, est mis directement à la masse et un conducteur 37, s'étendant à partir de l'électrode de commande 24, est relié à une source de tension de commande d'exploration c'est-à-dire une source variable, de manière qu'une tension de commande variable ou d'exploration soit appliquée à l'élément 29. Un conducteur 38 s'é-35 tendant à partir de l'électrode de cathode 25 est mis à la masse, à travers une alimentation cathode-anode et d'une charge. Un conducteur 39 s'étendant à partir de l'électrode d'anode 26 est mis directement à la masse. Le courant de canal est transformé en une tension de charge par cfit agencement. Ici, la source de tension de 40 commande applique à l'élément une tension en dents de scie ayant 69 04053 14 2002179 une fréquence élevée atteignant plusieurs centaines de EHz» Le courant de canal correspondant à ladite tensî.on de commande est converti en une sortie électrique correspondant à la répartition de la longueur d'onde de l'intensité de radia"tion au mo; . 5 d'un circuit d'amplification et de calcul tel que celui représenté sur la figo 11 et d'un circuit de différenciation habituel, cette sortie électrique étant appliquée à une borne d'entrée de signal à8 un oscilloscope. Par ailleurs, la tension de commande est converti? de façon tel^e que la longueur d'onde ou nombre d'ondes varient linéairement avec le temps sous l'action du circuit de con- 10 version décrit ci-dessus et est appliquée à une borne de balayage de l'oscilloscope. On étalonne le circuit de conversion précité au moyen de plusieurs radiations monochromes» Comme décrit ci—dessus? la répartition d'intensité du faisceau de radiations tombant sur l'élément est explorée de façon répétée, à une vitesse aussi élevé-15 que plusieurs centaines de KHz et est directement affichée sur l'écran du tube cathodique dans ce mode de réalisation. L'élément est refroidi jusqu'à la température de l'hélium liquide dans ledit, mode de réalisation de sorte que les largeurs de niveau des niveaux quantiques Eq, et Eg ont une valeur aussi faible qu'un dizième 20 de E^ - Eq ou une valeur inférieure. De ce fait, l'étendue couverte par la différence d'énergie E^ - Eq, c'est-à-dire l'étendue couverte par la discontinuité d'absorption, est faible et on peut obtenir l'intensité des radiations avec line précision qui est presque du même ordre que la précision du tube à rayons cathodiques lui-25 même (habituellement 5 $)• Dans les deux modes de réalisation décrits ci-dessus de la présente invention, on a appliqué à la détection du faisceau de radiations le fait que le faisceau de radiations est absorbé dans la couche d'inversion par la transition électronique entre les ni-30 veaux quantiques et que la conductibilité électrique de la couche d'inversion varie avec l'intensité des radiations. Toutefois, lorsque la tension cathode-anode TC1 est appliquée à l'élément auquel a été appliquée la tension de commande com me représenté sur la fig. 5, de nombreux électrons se trouvant dans 35 la couche d'inversion sont excités jusqu'aux niveaux excités à partir du niveau fondamental» Ce que l'on appelle l'inversion de population peut être obtenu entre les niveaux quantiques au moyen de ce phénomène. Si l'on se réfère à la fig, 13, on peut voir qu'on y a re-présenté un diagramme d'énergie du fonctionnement d'un mode de réa- 69 04053 2002179 lisa"tion qui effectue l'amplification d'un faisceau de radiations âans l'état où ladite inversion de population est produite» En d'autres ternies, quand un faisceau de radiations Ig ayant une longueur d'onde correspondant à la différence d'énergie E,.—Eq est di-5 rigé sur un élément se trouvant à l'état d'inversion de population, on peut obtenir, au moyen de l'émission stimulée bien connue, à l'endroit de la couche d'inversion, un faisceau de radiations amplifié Ig ayant la même longueur d'onde que le faisceau de radiations incident. De ce fait, on peut obtenir une sorte d'action ma— ■j 0 ser quand la tension cathode-anode appliquée à l'élément est réglée à la valeur Vp- ou à une valeur un peu plus élevée» Bien que l'on n'ait pas représenté sur les figures un mode de réalisation permettant d'obtenir cette amplification, un tel mode de réalisation peut être réalisé facilement comme décrit ci-dessous. 15 Si l'on se réfère à la fig. 3a, on voit, d'une part, qu'un second dispositif de trajet optique similaire au dispositif de trajet optique 13 est prévu dans le cryostat, symétriquement au dispositif de ^J-jet optique 13 par rapport à l'élément 9, et , d'autre part-j^le support 10 est constitué de façon qu'un faisceau 20 de radiations puisse le traverser. Dans une telle structure, un faisceau de radiations 3, dirigé sur l'élément 9 qui se trouve dans l'état électrique décrit ci-dessus, est amplifié et est guidé jusqu'à l'extérieur par l'intermédiaire du second dispositif de trajet optique précité. On a décrit en détail ci-dessus trois modes de 25 réalisation de la présente invention permettant de détecter ou d'amplifier le faisceau de radiations dans la gamme s'échelonnant de l'infrarouge à l'infrarouge lointain» La présente invention, si on la décrit à nouveau sommairement, constitue un dispositif dans lequel un faisceau de radiations 30 est transformé en un courant de canal par l'intermédiaire de la transition de résonance de porteurs se trouvant dans la coucl^ravLi/ excitée jusqu'à un état approprié entre les niveaux quantiques, de manière à détecter ou à amplifier le faisceau de radiations et l'invention constitue, en outre, un dispositif au moyen duquel le 35 faisceau de radiations peut être détecté ou amplifié par voie spectrale en raison du fait que la différence entre les niveaux quantiques participant à ladite transition varient avec la tension de commande. La présente invention possède diverses caractéristiques et 40 avantages qui dépendent de l'état de ladite excitation. En d'autres termes, un faisceau de radiations est converti en un courant de canal avec une sensibilité élevée dans le cas où la tension cathode-anode d'un élément, auquel est appliquée une certaine tension de commande, est réglée à une valeur telle que la transition de réso-45 nance des porteurs est provoquée par l'excitation due au champ ou bien est réglée aux alentours de cette valeur. Dans ce cas, lorsque l'on fait varier de façon continue (exploration) la tension de commande, la tension cathode-anode étant fixée à cette valeur, la photosensibilité de l'élément varie brusquement à ladite tension de 50 commande. Par conséquent, on obtient la photosensibilité la plus élevée sous la forme d'une impulsion par différentiation du courant de canal par rapport à la tension variant en continu (tension d'exploration). En outre, la détection des radiations précitées peut être effectuée avec un rapport élevé signal/bruit en utilisant un 55 amplificateur de synchronisation dans le circuit de détection. Comme décrit ci-dessus, la présente invention est caractérisée par le fait que l'on peut constituer facilement un détecteur ayant une sensibilité élevée et un rapport élevé signal/bruit bien que ce détecteur soit capable d'être bruyant étant donné que le dis-50 positif utilise des porteurs se trouvant en surface0 69 04053 16 20U2i/* Lorsque les porteurs placés dans la couche d'inversion se trouvent à peine excités par la tension cathode-anode mais qu'ils sont excités depuis le niveau fondamental jusqu'aux niveaux excités par l'excitation due à l'absorption d'un faisceau de radiations, 5 on peut faire varier de façon continue (exploration) la discontinuité d'absorption en faisant varier de façon continue (exploration) la tension de commande. Dans ce cas, on peut facilement détecter de façon continue la répartition de longueurs d'ondes de l'intensité des radiations et l'afficher sur l'écran du tube à ra-10 yons cathodiques en envoyant le courant de canal à un circuit de calcul en vue de compenser^la relation étroite entre la photosensibilité et la tension de commande ainsi qu'à un circuit de dif-férentiation. En outre, on peut faire varier, en continu, de façon avantageuse, à une Vitesse élevée telle que plusieurs centaines de 15 MHz, une large gamme de longueurs d'ondes s'échelonnant de plusieurs microns à plusieurs dizaines de microns étant donné que, dans ce cas, la variation continue de la longueur d'onde est effectuée par variation continue de la tension de commande correspondant à la différence entre les niveaux quantiques. 20 La présente invention, du fait qu'elle présente un tel avantage, permet d'obtenir un spectromètre à exploration ou balayage à vitesse élevée, qui peut suivre facilement des phénomènes dans lesquels 1'intensité des radiations varie rapidement et qui peut effectuer une détection spectrale. Le spectromètre à explo-25 ration conforme à la présente invention constitue uijfiouveau dispositif permettant l'étude de phénomènes d'explosion ou d'une réaction biochimique lorsquton'l'utilise avec une caméra photographique pour photographier de façon continue la surface du tube à rayons cathodiques. En outre, ce spectromètre à exploration confor-30 me à la présente invention constitue un dispositif permettant de surveiller, dans une large gamme de longueurs d'ondes et avec une réponse rapide, la variation de la composition de l'impureté ou de la quantité de cette dernière dans une matière-échantillon s'écoulant sur un trajet de processus dans une usine. 35 En outre, lorsque la tension cathode-anode, appliquée à un élément que l'on soumet à une tension de commande prédéterminée, est réglée soit à une valeur telle que la transition électronique ' provenant d'une excitation due au champ a lieu soit à une valeur un peu plus grande que celle-ci, il se produit ce que l'on appelle une inversion de population dans la couche d'inversion et on peut 69 04053 2002179 obtenir une action maser. En d'autœs termes, un faisceau de radiations ayant une longueur d'onde équivalant à la différence entre les niveaux quantiques correspondant à la tension de commande est amplifié par l'émission stimulée. En outre, l'amplificateur de ra-5 diations conforme à la présente invention présente l'avantage que la composante de longueur d'onde à amplifier varie dans une gamme s'échelonnant de plusieurs microns à plusieurs dizaines de microns selon la tension de commande et on peut effectuer une amplification à accord réglable. De plus, les dispositifs précités confor-10 mes à la présente invention présentent les avantages qu'ils sont tous ' de faibles dimensions, de structure simple, de construction robuste, de fonctionnement facile et qu'ils peuvent être fabriqués facilement et de façon peu onéreuse. Bien que certains modes de réalisation préférés de la 15 présente invention aient été décrits ci-dessus, diverses modifications et variantes peuvent y être apportées sans sortir pour autant du cadre général de la présente invention. - REVENDICATIONS - 1 - Dispositif électronique du type dit à "l'état solide'1 pour détecter ou amplifier un faisceau de radiation dans la plage s'échelonnant de l'infrarouge à l'infrarouge lointain, ce disposi- 5 tif comprenant : (a) un élément MOS (métal-oxyde semi-conducteur) ayant la propriété de produire une couche d'inversion en son sein en réponse à une tension de commande qui y est appliquée, (b) un dispositif pour refroidir ledit élément jusqu'à une température faible telle que la quasi totalité des porteurs se trouvant dans 10 ladite couche d'inversion peuple le niveau quantique fondamental formé dans cette couche, cê dispositif de refroidissement étant muni d'un dispositif établissant un trajet optique de manière à diriger un faisceau de radiation jusqu'à ladite couche d'inversion^ (c) une source de tension destinée à appliquer une tension de com-15 mande variable audit élément de manière à commander la différence d'énergie entre le niveau fondamental précité et un niveau excité formé dans ladite couche d'inversion et, enfin, (d) un circuit électrique destiné au réglage et à la mësure de l'intensité d'un courant de canal traversant ladite couche, grâce à quoi la tran-20 sition électronique entre les niveaux précités a lieu de façon correspondant audit courant et à la radiation précitée, de manière à assurer une détection et une amplification de ladite radiation. 2 - Dispositif électronique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on donne à la couche métallique de 25 l'élément MOS précité une faible épaisseur de manière que le faisceau de radiation soit transmis à travers cette couche et que cette couuhe est faite d'une matière choisie dans le groupe constitué par Al, Ag et Au. 3 - Dispositif électronique suivant la revendication 1, 30 caractérisé par le fait que la couche semi-conductricede l'élément MOS est faite d'une matière telle qu'elle laisse passer la gamme prédéterminée de longueurs d'ondes du faisceau de radiation précité, ce faisceau étant dirigé sur la surface de la couche semi-conductrice opposée à la couche isolante. 35 4- - Dispositif électronique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche semi-conductrice de l'élément précité est faite d'une matière choisie dans le groupe constitué par InSb, InAs, G-aSb et GaAs. 5 - Dispositif électronique suivant la revendication 1, 40 caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, un obturateur b 5 10 15 20 25 30 35 40 04053 2002179 ou hacheur optique disposé à l'entrée du dispositif établissant un trajet optique afin d'interrompre périodiquement le faisceau de radiation précité et que le circuit électrique précité comprend un amplificateur de synchronisation fonctionnant en synchronisme avec le hacheur optique susvisé, grâce à quoi le faisceau de radiation est détecté avec un faible bruit, 6 - Dispositif électronique suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que le courant de canal est réglé, quand aucune radiation n'est présente, à une valeur légèrement au-dessous de la valeur à laquelle ce courant de canal varie brusquement avec une augmentation de la tension cathode-anode dudit élément auquel est appliquée une tension de commande donnée. 7 - Dispositif électronique suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que ladite source de tension applique à l'élément précité une tension de commande qui varie de façon continue périodiquement (c'est-à-dire une tension d'exploration) et que le circuit destiné à mesurer le courant de canal comprend un circuit de différentiation, grâce à quoi on obtient, vis-à-vis du faisceau de radiation, une réponse sous la forme d'une impulsion pointue„ 8 - Spectromètre du type dit "à l'état solide" pour la plage de longueurs d'ondes s'échelonnant de l'infrarouge jusqu'à l'infrarouge lointain, ce spectromètre comprenant : (a) un élément MOS sensible à une tension de commande de manière qu^ soit créée une couche d'inversion, (b) un dispositif pour refroidir ledit élément jusqu'à une température basse telle que la plupart des porteurs se trouvant dans ladite couche d'inversion peuple le niveau quantique fondamental qui y est formé, ce dispositif de refroidissement étant muni d'ion dispositif établissant un trajet optique de manière à diriger un faisceau de radiation sur ladite couche d'inversion, (c) une source de tension destinée à appliquer une tension de commande à variation continue (c'est-à-dire tension d'exploration) audit élément de manière à explorer la différence d'énergie entre le niveau fondamental précité et un niveau quantique excité formé dans ladite couche d'inversion, cette dif- • férence d'énergie étant équivalente à la discontinuité d'absorption dans ladite couche d'inversion en raison de la transition électronique entre les niveaux précités, (d) un dispositif électrique pour régler la tension cathode-anode dudit élément à une valeur faible telle qu'aucun desdits porteurs n'est excité par 69 04053 2002179 l'excitation de champ de cette tension réglée, le faisceau de radiation élevant les porteurs précités du niveau fondamental précité jusqu'audit niveau excité pour les transformer en un courant de canal de façon qu'ils s'écoulent à travers ladite couche d'info version, (e).un premier circuit électrique pour calculer, amplifier, différentier le courant de canal précité en synchronisme avec ladite tension de commande de manière à corriger la relation étroite entre la plrbosensibilité dudit élément et la tension de commande précitée et de manière à séparer la composante de lon-xo gueur d'onde intégrée et, enfin, (f) un dispositif pour afficher le signal de sonjfcie en provenance du premier circuit électrique. 9 - Spectromètre suivant la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un second circuit électrique destiné à transformer ladite tension de commande en une forme d'onde prédé-terminée, ce second circuit électrique étant relié à ladite source de tension et que le dispositif d'affichage précité est un oscilloscope dont la borne d'entrée de signal est reliée à la sortie du premier circuit électrique tandis que la borne de balayage est reliée à la sortie du second circuit électrique, grâce à 20 quoi la répartition d'intensité des composantes de longueurs d'ondes du faisceau de radiation est affichée directement sur l'écran du tube à rayons cathodiques de l'oscilloscope précité, 10 - Amplificateur de radiations du type dit à "l'état solide" pour la gamme de longueurs d'ondes s'échelonnant de l'in-2g fra-rouge à l'infrarouge lointain, cet amplificateur comprenant: (a) un élément MOS asservi à une tension de commande de manière qu'y soit créée une couche d'inversion, (b) un dispositif pour refroidir ledit élément jusqu'à une température basse telle que la plupart des porteurs se trouvant dans ladite couche d'inversion ■jO peuplent le niveau quantique fondamental qui y est formé, ce dispositif de refroidissement étant muni d'un premier dispositif établissant un trajet optique de manière à diriger un faisceau de radiation sur ladite couche d'inversion et d'un second dispositif établissant un trajet optique de manière à diriger vers l'exté-rieur un faisceau de radiation émis à partir de ladite couche d'inversion, (c) une source de tension destinée à agliquer une tension de commande variable audit élément de manière à commander la différence d'énergie entre le niveau fondamental précité et un niveau quantique excité formé dans ladite couche d'inversion, et, ij.0 enfin, (e) un dispositif pour établir une tension cathode-anode à 69 04053 21 2002179 une valeur telle que la transition électronique provenant de l'ex« citation de champ de ladite tension produise l'inversion de population desdits porteurs, grâce à quoi la composante dudit faisceau de radiation, qui a une longueur d'onde équivalente à la différen-5 ce d'énergie précitée, est amplifiée par l'émission stimulée.