Brevet FR2096539A1 — publié le 19720218

La température.d'un corps peut être déterminée- au moyen d'un .appareil connu sous le nom de radiomètre,''qui mesure liJintensité de la radiation émise par ce corps. On ne peut utiliser un radiomètre qui ne détecte qu'une seule longueur d'onde de radia-5 tion sans connaître à la fois le pouvoir émissif de la source, et la transmission dans l'espace qui sépare la source du détecteur. Un radiomètre qui détecte deux longueurs d'onde de la même source et qui mesure le rapport des intensités de ces deux longueurs d'onde peut effectuer des mesures de température indépendantes de 10 l'émissivité de la source et de la transmission dans l'espace environnant. Un tel radiomètre bicolore a été proposé en 1921 par H.W. Russel et al. dans l'ouvrage intitulé " Température. It ' s Measurement and Oontrol in Science and Industry, page 1159. Dans un radiomètre bicolore, il est. désirable quçles détecteurs soient 15 individuellement très proches l'un de l'autre parce que cela permet aux détecteurs d'utiliser un seul faisceau de radiation, ee qui réduit par conséquent toutes différences entre les radiations reçues par les deux détecteurs, et élimine l'optique supplémentaire qui serait nécessaire pour diriger vers les détecteurs deux 20 faisceaux identiques. La conductivité d'un serai-conducteur est proportionnelle à la concentration des porteurs de charge présents. Lorsqu'une radiation tombe sur un semi-conducteur, les photons dont l'énergie est supérieure à l'intervalle d'énergies interdites du semi-25 conducteur vont briser des liaisons cpvalentes et produiront des paires électrons-trous en excès par rapport à celles qui sont engendrées thermiquement, en produisant ainsi une augmentation de la conductivité du matériau. La création d'une paire électron-trou est dénommée excitation intrinsèque, tandis que;l'excitation d'un 30 donneur d'électrons dans la bande de conduction ou d'un électron • de valence dans un état , d' accepteur sont dénommées -excitation intrinsèque ou d'impuretés.- Dans le cas d'un semi-conducteur légèrement dopé, la densité d'états dans les bandes de conduction et de valence excède de beaucoup celle des états d'impuretés, et la pho-35 toconductivité est principalement due à l'excitation intrinsèque. Un tel semi-conducteur est appellé photoconducteur intrinsèque. Puisque l'énergie minimale que doit posséder un photon pour une excitation intrinsèque est égale à l'énergie de la bande interdite, E , du photoconducteur intrinsèque, on peut voir que la longueur O 40 d'onde pour laquelle se produit la réponse de pointe dépend de E . 71 14004 2 2096539 Dans l'art antérieur des détecteurs bicolores, on déposait en couches, des lamelles, faites de deux matéri£ux;semi-conducteurs ayant des bandes interdites de largeurs différentes, et ayant par conséquent des longueurs d'ç>nde de répons? 4 e. pointe ^différentes 5 (Figure 1). Elles peuvent être fixées l'une sur l'autre avec une colle transparente, ou bien l'un des semi-conducteurs,peut être formé à la surface de l'autre par épitaxie. Du fait que l'un des détecteurs est monté au-dessus de l'autre, on n'utilise qu'un seul faisceau de radiations. Les signaux des deux détecteurs sont 10 comparés électriquement l'un à l'autre, de manière à obtenir le rapport des intensités des deux longueurs d'onde. Si le détecteur à semi-conducteur qui possède la bande interdite l§£>lus large est monté sur le dessus, il absorbe la longueur d'onde la plus courte, celle dont l'énergie de radiation 15 est la plus grande, et transmet au détecteur du dessous la longueur d'onde la plus grande, de moindre énergie. Le dispositif est ainsi autofiltrant puisque le détecteur de grande longueur d'onde n'est pas soumis à la radiation ayant la plus grande énergie. 20 Un tel système de détection a le désavantage de nécessiter deux matériaux pour réaliser un seul appareil. Un autre désavantage est la perte d'énergie dans l'interface des deux matériaux. Un détecteur photovoltaïque consiste en un matériau semiconducteur comportant une jonction PN. A l'équilibre, le niveau 25 de Fermi, E^, doit être constant. Puisque le niveau de Fermi d'un semi-conducteur de type N est plus proche-de la bande de conduction, tandis .que celui d'un semi-conducteur de type P est plus proche de la bande de valence, il apparaît une. barrière de potentiel. Si une radiation ayant l'énergie propre à.une excitation 30 intrinsèque tombe sur la surface d'une jonctiori, PN,, une paire électron-trou est créée. Les porteurs minoritaires franchissent la barrière et le courant des minoritaires augmente. Puisque le courant total doit rester nul, le courant ..des porteurs majoritai-• rea augmente de la même quantité que.celui des.minoritaires. 35 Cette.augmentation du courant majoritaire s'accomplit par la réduction de la hauteur de la barrière de potentiel, et.la tension qui. apparaît .au# £ornes de la diode est juste, égale la diminution . ; du potentiel de barrière*, La longueur d'onde.pour, laquelle se produit, la réponse.de pointe de l'effet photovoltaïque est déterminée par la-largeiir de bande interdite du matériau s§mi-conduc40 71 14004 3 2096539 teur. Un matériau allié semi-conducteur est' un alliage de deux semi-conducteurs ou drun semi-conducteur avec un semi-métal possédant des propriétés semi-conductrices. La composition de l'al-5 liage détermine l'intervalle d'énergies interdites et, en conséquence, les propriétés optiques et semi-conductrices du matériau. On peut réaliser un corps en alliage semi-conducteur qui ait une composition différente en différentes régions du corps. Suivant la présente invention, un dispositif photovoltaï-10 que multicolore est constitué par un corps unique en alliage semi-conducteur possédant intérieurement des différences de composition. Des régions diffusées forment dans ce corps des jonctions PN à des emplacements de compositions différentes. Du fait que la largeur de bande interdite, et, par suite, la longueur 15 d'onde de réponse de pointe, du matériau, dépendent de sa composition à l'emplacement choisi, les différentes jonctions PN donnent une réponse photovoltaïque de pointe à différentes longueurs d'onde. Par conséquent, le dispositif photovoltaïque multicolore de la présente invention comporte un réseau de détecteurs photo-20 voltaïques individuels incorporés dans un corps unique constitué par un matériau semi-conducteur allié. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés dans lesquels : 25 La figure 1 représente un photodétecteur bicolore feuilleté de l'art antérieur. La figure 2 représente une première mise en oeuvre d'un dispositif photovoltaïque multicolore réalisé, conformément à l'invention, dans un corps unique constitué par un matériau semi-30 conducteur allié. La figure 3 représente une autre mise en oeuvre de la présente invention dans laquelle le dispositif est autofiltrant. La figure 4 représente une autre mise en oeuvre de la présente invention dans laquelle des jonctions PN sont placées 35 sur les faces opposées pour constituer un dispositif photovoltaïque bicolore, et La figure 5 représente une autre mise en oeuvre de dispositif photovoltaïque multicolore autofiltrant suivant l'invention. Dans une première mise en' oeuvre dé la présente invention, 40 (figure 2) des régions diffusées 10 formant des jonctions PN' sont 71 U004 4 2096539 disposées sur la face 11 d'une lamelle en matériau semi«conducteur allié 12, et la radiation 13 tombe sur cette face. La composition est progressivement variable le long de la surface incidente du dispositif , de telle manière que chaque jonction PN se 5 trouve à un emplacement où l'alliage a une composition différente. Un contact commun 14 est relié à la surface 15, opposée à la surface incidente 11. On a représenté à titre d'illustration trois régions diffusées 10, mais l'invention n'est nullement limitée à ce nombre. 10 En se référant à la figure 3» on voit une seconde mise en oeuvre de la présente invention. La surface 16 sur laquelle tombe la radiation incidente est essentiellement perpendiculaire à la surface 11 sur laquelle sont formées les jonctions PN. Un contact commun 14 est relié à la surface 15 opposée aux jonctions PN. 15 Si la composition varie de telle sorte que le rapport molaire x du constituant de l'alliage qui possède la bande interdite la plus large augmente lorsqu'on approche de la surface d'incidence, c'est le premier détecteur qui a la bande la plus large, et chaque détecteur successif a une bande interdite de moins en 20 moins large. De cette manière, la longueur d'onde la plus courte, et par conséquent la. radiation de plus grande énergie, est absorbée dans le détecteur du dessus, tandis que la radiation de plus faible énergie et de plus grande longueur d'onde est transmise à travers le dispositif jusqu'au détecteur inférieur. Ainsi, 25 le dispositif est autofiltrant. Dans une autre mise en oeuvre (figure 4) les régions diffusées 20 et 21 sont placées sur les faces opposées 22 et 23. L'incidence dé la radiation 13 se fait sur une surface 16 perpendiculaire aux surfaces 22"ët 23, et un contact commun 24 est 30 placé sur une autre surfacé, qui est perpendiculaire à celles qui contiennent les jonctions PN. La. profondeur de diffusion des régions diffusées 20 et 21 doit être contrôlée de manière à ce que ces régions n'entrent pas en contact l'une avec l'autre. En se référant à la figure 5, une; autre mise en oeuvre de 35 l^gvention est représentée, dans laquelle la radiation 13 frappe/surface 15 opposée à celle dans laquelle ont été diffusées les régions 10. Un contact commun 24 est relié à une extrémité du dispositif. Si la distance, t_, de la surface d'incidence à la jonction, et l'espacement,d, entre les jonctions,sont tous deux 40 supérieurs à la longueur de diffusion des, porteurs minoritaires, 71 14004 2096539 le dispositif est autofiltrant. Cet effet d'autofiltrage donne naissance à un" réseau multicolore de détecteurs à bandes étroites. Le tellurure de mercure et cadmium (Hg1 Cd Te) est un * —X X alliage semi-conducteur qui se composed'un semi-métal, le tellu-5 rure de mercure, et d'un semi-conducteur, le tellurure de cadmium. Le rapport molaire, x, du tellurure de cadmium dans l'alliage détermine la largeur de la bande interdite, et par conséquent la longueur d'onde de réponse de pointe de l'alliage. On a trouvé que Hg.. Cd Te avait une bande interdite de largeur convenable t ""X X 10 pour une photoconductivité dans l'infrarouge, avec une longueur d'onde de réponse de pointe dépendant de la composition de l'alliage. Hgi Cd Te constitue, par conséquent, un alliage semi-con-ducteur utilisable, suivant' la présente invention, pour réaliser des détecteurs multicolores. 15 Suivant un procédé de fabrication de tels détecteurs mul ticolores on produit un lingot, de composition variable, de Hg., Cd Te par la méthode de Bridgman modifiée, décrite par E.L. 1 ™*X X Seltzer et al. dans l'ouvrage intitulé "IREF! Transactions on Electron Devices", pages 880 à 884, octobre 1969. On tire de 20 ce lingot une lamelle de Hg., Cd Te. On en contrôle le profil de l ""X X composition à l'aide d'une microsonde à faisceau électronique, les régions diffusées sont alors implantées, à l'aidé cette information, de telle manière que chaque jonction PN soit placée à l'endroit où la composition correspond à une réponse de pointe 25 pour l'une des longueurs d'onde désirées. Les dimensions d'un dispositif photovoltaïque typique sont de quelques millimètres de côté. On peut utiliser d'autres procédés pour former un corps de Hg^_xCdxTe de composition variable, tels que^L-a croissance épita-xiale, la vaporisation et 1'interdiffusion de HgTe dans CdTe. 30 . 'La. bande interdite de Hg^ _xcdxTe' dépend de la. température et de la composition, et l'effet de la température dépend aussi de la composition. On peut donc ajuster la réponse d'un dispositif conforme à la présente invention, comme celui qui est représenté en faisant varier sa température; en effet, -la Bande interdite des 35 détecteurs, et,•par-conséquent,la longueur d'onde de lerns réponses de pointe, sont différentes pour-chacun--d'eux.-"Oh peut utiliser pour cela- un réfrigérant-:th-erffioélôetri:que. Si le dispositif est utilisé à une température-voisine de la température ordinaire, il - -n'y a pas-besoin d-'enceinte. Si, au conttfâiré,;on l'utilise à des .40 températures basses, la surface d'incidence sera' recouverte d'une 71 14004 2096539 couche transparente pour empêcher quçl'humidité se dépose sur cette surface. La présente invention a pour objet un dispositif photovoltaïque multicolore constitué par un corps unique en alliage 5 semi-conducteur. On évite ainsi les pertes de signal dans les interfaces entre matériaux différents, comme cela se produit danses dispositifs feuilletés de l'art antérieur. Bien qu'on ait présenté dans ce qui précède, Hgi Cd Te comme matériau spécifi- t X que, il est bien évident pour l'homme de l'art qu'on peut aussi 10 utiliser un autre alliage semi-conducteur, à composition interne variable, tel par exemple qu'un tellurure de plomb et d'étain. 71 14004 2096539 REVENDICATIONS 1 - Un dispositif photovoltaïque à serai-conducteur intrinsèque ayant une réponse de pointe pour plusieurs longueir s d'onde^caractérisé en ce qu'il comprend un corps 12 constitué par ' 5 un matériau serai-conducteur de conduetivité d'un premja? type présentant des différences de composition interne, et ayant,dans chaque régionjune bande d'énergies interdites qui dépend de la composition dans cette région,une pluralité de régions diffusées 10 de conductivité d'un second type situées dans le corps 12, à 10 des emplacements de compositions différentes, constituant des jonctions PN présentant une réponse de pointe photovoltaïque à différentes longueurs d'onde, et des moyens de contact électrique 15 avec le corps et avec chacune des régions diffusées. 2 - Le dispositif de la revendication 1, caractérisé en 15 ce que le matériau en alliage semi-conducteur est du tellurure de mercure et de cadmium. 3 - Un ensemble photodétecteur répondant à une pluralité de longueurs d'onde comprenant un dispositif photoconducteur à semi-conducteur intrinsèque ayant une réponse de pointe pour plu- 20 sieurs longueurs d'ondes, ledit ensemble étant caractérisé en ce qu'il comprend un corps 12 en alliage semi-conducteur à conductivité d'un premier type, présentant des différences de conductivités internes et ayant à chaque emplacement une bande interdite dépendant de la composition audit emplacement, une pluralité de ré-25 gions diffusées 10, de conductivité d'un second type situées à des emplacements de compositions différentes , et constituant des jonctions PN donnant des réponse photovoltaïques de pointe pour plusieurs longueurs d'onde,des moyens de contact électrique 14 ou 24 avec le corps et avec chacune des régions diffusées,et 30 des moyens pour mesurer une différence de potentiel entre le corps et chacune des régions diffusées. 4 - L'ensemble photodétectaur de la revendication 3,caractérisé en ce que la radiation incidente 13 est dirigée vers la surface 11 du corps dans laquelle sont situées les régions dif-35 fusées de conductivité du second type. 5 - L'ensemble photodétecteur de la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour réaliser un contact électrique avec le corps comprennent un contact commun 14, placé sur la surface 15 opposée à la surface 11, dans laquelle sont situées 40 les régions diffusées à conductivité du second type. 1 14004 8 2096539 6 - L'ensemble photodétecteur de la revendication 3> caractérisé en ce que la radiation incidente 13 est dirigée sur une surface-16 qui est essentiellement perpendiculaire aux surfaces 22 et 23 dans lesquelles sont situées les régions diffu- 5 sées. 7 - L'ensemble photodétecteur de 1a. revendication 6, caractérisé en ce que les régions diffusées sont situées sur une surface du corps et en ce que la jonction PN qui a la réponse de pointe correspondant à la plus petite des longueurs d'onde 10 est la plus proche de la surface d'incidence de la radiation. 8 - Le dispositif de la revendication 6, caractérisé en ce que les régions diffusées 20,21 sont situées sur des surfaces opposées du dispositif. 9 - L'ensemble photodétecteur de la revendication 3, oa- 15 ractérisé en ce que la radiation incidente est dirigée sur la surface 15 opposée à la surface 11 dans laquelle sont situées les régions diffusées 10. 10 - L'ensemble photodétecteur de la revendication 9, caractérisé en ce que la distance entre les régions diffusées, 20 et la distance entre la surface d'incidence de la radiation et les jonctions PN constituées par les régions diffusées sont toutes plus grandes que la longueur de diffusion dans le corps des porteurs minoritaires. 11 - L'ensemble photodétecteur de la revendication 3» 25 caractérisé en ce que l'alliage semi-conducteur est du tellurure de mercure et de cadmium. 12 - L'ensemble photodétecteur de 1a. revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour commander la température du dispositif photovoltaïque.