Brevet FR2046865A1 — publié le 19710312

i 2046865 L'invention est relative à une commande de conversion optique utilisant un semi-conducteur. Un des buts de l'invention est de fournir un procédé nouveau pour la commande de conversion optique. 5 Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif semi-conducteur nouveau pour la commande de conversion optique. Conformément à une caractéristique de l'invention, il est prévu un procédé de commande de conversion optique consistant à faire varier la charge électrique d'une impureté formant un ni-10 veau profond de la couche d'appauvrissement d'un corps semiconducteur, afin de faire varier la capacité de la couche d'appauvrissement , dans lequel procédé on commande au moins l'une des grandeurs : lumière appliquée, tension photovoltaïque et courant photoélectrique. 15 Conformément à une autre caractéristique de l'invention, il est prévu un dispositif semi-conducteur de commande de conversion optique comportant un corps semi-conducteur dopé avec une impureté formant un niveau profond et muni d'une couche d'appauvrissement formée en lui, et des moyens pour faire varier la charge de 20 l'impureté formant un niveau profond dans la couche, d'appauvrissement. L'invention est décrite plus en détails ci-après en se reportant aux dessins annexés dans lesquels : - les figures la et lb sont des courbes qui représentent 25 graphiquement les variations de la capacité de la couche d'appauvrissement de diodes au silicium dopées à l'or en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente, à la température de l'azote liquide, et - la figure 2 est une courbe qui représente graphiquement-30 les variations de la capacité de la couche d'appauvrissement en fonction du temps, à la température de l'azote liquide. Lorsque, dans un semi-conducteur, une impureté est illuminée par une radiation lumineuse ayant une longueur d'onde inférieure à = c/v = c h/AE , formule dans laquelle c_ est la vitesse 35 de la lumière, la fréquence, et li la constante de Plane le,déterminée par l'énergie AE suffisante pour exciter les électrons de l'impureté dans la bande de conduction, les électrons sont excités dans la bande de conduction pour augmenter la charge électrique de l'atome d'impureté d'une unité positive de charge. Evidem-40 ment cependant s'il existe des électrons dans la bande de conduc 70 22381 2 2046865 tion ou des électrons dans la bande remplie qui sont facilement excitables, la variation de la charge électrique de l'impureté est immédiatement compensée. Il en résulte que dans le premier cas il ne se produit aucun effet et dans le second cas seulement 5 un faible courant photo-électrique. En vue d'empêcher la présence d'électrons dans la bande de conduction, on utilise une couche d'appauvrissement, de manière que des porteurs majoritaires ne puissent s'y trouver, tandis que pour empêcher les électrons de la bande remplie d'être excités, on utilise une impureté for-10 mant un niveau profond. La même situation se produit pour les trous positifs et pour les électrons. D'une manière classique, on désigne souvent du nom de niveau profond d'impureté un niveau qui est plus voisin de la bande remplie que le centre de la bande interdite. Toutefois, ce n'est le cas en pratique que si un niveau est tel qu'un électron se trouvant à ce niveau est excité fortement pour être amené dans la bande de conduction par une énergie thermique. De ce point de vue, un niveau d'énergie plus voisin de la bande remplie est plus efficace. 20 Un exemple d'une impureté ayant un tel niveau profond d'é nergie est l'or dans le silicium du type p . Lorsqu'on expose à la lumière une diode au silicium dopé à l'or, la capacité de la couche d'appauvrissement de la diode varie avec la longueur d'onde de la limière incidente de la manière représentée par les 25 figures la et 11d, dans lesquelles la courbe de la figure la. correspond à une diode du type n+p et la courbe de la figure lia correspond à une diode du type p+n . Pour des longueurs d'onde d'environ 2 microns, la capacité varie brusquement et d'une manière marquée. Cette capacité est saturée à une certaine inten-30 sité de la lumière incidente et n'augmente plus, même si une lumière d'une certaine intensité continue à être dirigée sur la diode. La capacité de la couche d'appauvrissement de la diode du type n+p ne varie pas essentiellement, à la température de l'azote liquide, pendant plusieurs heures après l'interruption 35 de la lumière incidente, comme on le voit sur la figure 2. En d'autres termes, la capacité se trouve mémorisée à la température de l'azote liquide. En vue de distinguer cet effet de stockage, une tension directe de polarisation peut être appliquée à la diode ou, dans certains cas, des photons ayant une énergie éga-40 le à la largeur de la bande interdite ou des photons ayant l'é 70 22381 3 2046865 nergie nécessaire pour reconstituer la charge peuvent être dirigés sur la diode à des températures élevées par1 rapport à celle de l'azote liquide. La courbe de la figure la résulte de mesures sur une diode 5 au silicium du type n+p dopé à l'or, à la température de l'azote liquide avec une tension de polarisation inverse appliquée de 5 volts. Lorsque la longueur d'onde de la lumière incidente augmente de façon continue, la capacité de la couche d'appauvrissement varie suivant la courbe A-A', c'est-à-dire que pour une lon-10 gueur d'onde de 1,0 micron environ, la capacité augmente brusquement et, après avoir atteint une valeur maximale, ne varie essentiellement pas, même si on diminue la longueur d'onde. Cet état se maintient pendant un temps considérable par suite de 1' effet de stockage illustré par la figure 2. Après un laps de temps 15 de deux jours, la capacité descend de la courbe A' à la courbe B. Ensuite, si on diminue de manière continue la longueur d'onde, la capacité varie suivant la courbe B-B'. Lorsqu'on fait varier de manière discontinue la longueur d'onde, c'est-à-dire que si on interrompt la gamme de longueur d'onde représentée par la ligne 20 en pointillé, la capacité varie suivant la courbe A-A" ou B-B". Les courbes de la figure 2 résultent de mesures effectuées sur des diodes du type n+p dopées à l'or, à la température de l'azote liquide. La courbe supérieure est relative à une diode, à laquelle on a appliqué une tension de polarisation inverse de 25 5 volts, illuminée par une lumière de 1,4 micron de longueur d'onde et la courbe inférieure est relative à une diode à laquelle on a appliqué une tension de polarisation inverse de 5 volts, illuminée par une lumière de 2,5 microns de longueur d'onde. La courbe de la figure Ils résulte de mesures effectuées 30 sur une diode du type p+n, sans tension de polarisation, à la température de l'azote liquide. Dans certaines applications, on utilise, à l'état illuminé, des diodes ne présentant pas d'effet de stockage. Dans le silicium du type p, l'or a encore d'autres proprié-35 tés importantes. Il possède deux états correspondant respectivement à la monovalence négative et à la divalence négative, qui peuvent, à l'usage, présenter des différences relativement à la longueur d'onde. Ainsi l'or, dans le silicium du type p, peut produire deux actions de commutation relativement à la longueur 40 d'onde. 70 22381 4 2046865 La variation de capacité d'une couche d'appauvrissement implique la variation de la largeur et/ou de l'intensité du champ électrique dans la couche d'appauvrissement. Dans le but de faire varier la capacité de la couche d'appauvrissement, on peut 5 produire des porteurs minoritaires par injection ou par excitation optique, qui sont piégés dans la couche d'appauvrissement. L'effet de la variation de la largeur de la couche d'appauvrissement peut être utilisé pour traduire de la lumière sous forme de variations de courant photoélectrique ou pour faire varier le 10 facteur de transmission lumineux. L'effet de variation de l'intensité du champ électrique peut être utilisé pour l'effet élec-tro-optique. De même, la variation de charge superficielle, due à la mise en oeuvre d'une couche diélectrique à la surface de la diode, peut être utilisée pour l'effet électro-optique. 15 Par exemple, lorsque de la lumière, ayant une longueur d'onde de 2 microns est dirigée sur une diode au silicium du type n+p dopée à l'or et lorsque, simultanément, ou à la suite, on dirige une lumière ayant une longueur d'onde d'environ 1 micron sur cette même diode, le courant photoélectrique diminue 20 environ de moitié. D'autre part, du fait que la-lumière transmise par la diode est proportionnelle à la largeur de la couche d'appauvrissement, l'intensité de la lumière transmise diminue environ de moitié ou des deux tiers. Une situation analogue se présente avec l'arséniure de gallium dopé au'manganèse ou au mo-25 lybdène et le phosphure de gallium dopé au manganèse ou au fer. On peut aussi utiliser l'effet Faraday à titre d'un des effets électro-optiques possibles. La sensibilité et la vitesse de réponse de la conversion optique conforme à l'invention sont plus grandes que le photo-30 chronisme. L'invention a de nombreuses applications, par exemple des dispositifs conformes à l'invention, munis d'électrodes transparentes, peuvent être employés pour la reconnaissance de dessins, en les disposant sous forme de matrice. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de 35 ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'applications, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 70 22381 5 2046865 REVENDICATIONS 1. Procédé pour la commande de conversion optique selon lequel on fait varier la charge électrique d'une impureté formant un niveau profond dans la couche d'appauvrissement d'un corps semi- 5 conducteur en vue de faire varier la capacité de cette couche d'appauvrissement, caractérisé en ce que l'on commande au moins l'une des grandeurs : lumière appliquée, tension photovoltaïque et courant photoélectrique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la 10 variation de charge est effectuée en dirigeant de la lumière sur la couche d'appauvrissement. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variation de charge est effectuée en injectant un courant électrique dans la couche d'appauvrissement. 15 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variation de capacité est effectuée en faisant varier la largeur de la couche d'appauvrissement. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variation de capacité est effectuée en faisant varier la charge 20 électrique à l'intérieur de la couche d'appauvrissement. 6. Dispositif semi-conducteur pour la commande de conversion optique, caractérisé en ce qu'il comporte un corps semi-conducteur dopé avec une impureté formant un niveau profond et muni d'une couche d'appauvrissement formée en lui et des moyens pour 25 faire varier la charge d'impureté formant un niveau profond dans la couche d'appauvrissement. 7. Dispositif semi-conducteui/selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est une diode au silicium du type n+p et en ce que l'impureté formant un niveau pro- 30 fond est l'or. 8. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est une diode au silicium du type p+n et en ce que l'impureté formant un niveau profond est l'or. 35 9. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est une diode à l'ar-séniure de gallium et en ce que l'impureté formant un niveau profond est un élément choisi dans le groupe constitué par le manganèse et le molybdène. 40 10. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 6, carac 70 22381 6 2046865 térisé en ce que le corps semi-conducteur est une diode au phosphure de gallium et en ce que l'impureté formant un niveau profond est un élément choisi dans le groupe constitué par le manganèse et le fer. 5 11. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour faire varier la charge sont des moyens pour diriger de la lumière sur la couche d'appauvrissement 12. Dispositif semi-conducteur selon la revenducation 6, caractérisé en ce que les moyens pour faire varier la charge sont 10 des moyens pour injecter un courant électrique dans la couche d'appauvrissement. 13. Dispositif pour la reconnaissance de dessins constitué par un certain nombre de dispositifs selon la revendication 6, disposés sous forme de matrice.