Brevet FR2125273A1 — publié le 19720929

Les détecteurs d'ultraviolet ont trouvé application dans les systèmes qui contrôlent le niveau de radiation ultraviolette pour la sécurité des yeux, ainsi que dans les radiomètres ultraviolets pour applications terrestres ou spatiales et dans 5 les systèmes qui utilisent l'absorption ultraviolette de certaines vapeurs comme moyen de détection de vapeurs. Mais, actuellement, une des applications les plus importantes des détecteurs d'ultraviolet concerne le domaine général de la détection des flammes. 10 La manière la plus sûre et la plus générale de contrô ler la présence ou l'absence d'une flamme consiste à détecter la radiation ultraviolette émise par ladite flamme. Le principal a-vantage d'une méthode de détection optique pour le captage d'une flamme, comparée aux méthodes plus conventionnelles utilisant des ' 15 capteurs thermiques tels que des thermocouples ou des thermistors, consiste en ce que les capteurs optiques ont un temps de réponse de quelques millisecondes ou même moins, tandis que les détecteurs thermiques ont des temps de réponse de l'ordre de quelques secondes. Un second avantage consiste en ce que le capteur opti-20 que peut être placé à une certaine distance où il ne sera pas sour-mis à des températures élevées ni à la corrosion. Troisièmement, un capteur optique peut détecter des flammes n'importe où dans le champ de vision du détecteur et à d'assez grandes distances, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de connaître la,position exacte 25 des flammes éventuelles. Cette caractéristique est importante pour la détection des foyers d'incendie et pour les systèmes pour repérer leurs déplacements. Il est préférable d'utiliser la détection ultraviolette pour la détection des flammes plutôt que la détection dans le domaine infrarouge du spectre parce qu'un dé-30 tecteur infrarouge est incapable de distinguer une flamme d'un corps chaud. La détection dans le domaine visible est indésirable parce que la lumière solaire et la lumière artificielle d'ambiance provoquent toutes deux la réponse du.détecteur. De plus, l'intensité de radiation du corps noir décroît exponentiellement du 35 domaine visible à l'ultraviolet. Par contraste avec les radiations infrarouges et visibles, l'émission ultraviolette d'une flamme fournit une preuve certaine qui peut être rapidement établie au moyen d'un capteur approprié. En se référant à la figure 1, les spectres d'émission 40 de plusieurs flammes différentes s'y trouvent représentés. Bien 72 00033 2. 2125273 que le spectre exact de chaque flamme dépende des conditions exactes présentes, tel que le mélange de combustible et d'air, on peut constater l'existence, pour chacune des flammes, de pics d'- ° émission intense qui se produisent approximativement à 3100 A et 5 dont l'intensité relative décroit rapidement, pour chacune d'elles et du côté des longueurs d'onde décroissantes, pour les Ion- O gueurs d'onde inférieures à 2800 A. La radiation ultraviolette observée est engendrée dans la zone réactive de la flamme, par l'effet d'une transition élec-10 tronique moléculaire, et n'a pas un caractère thermique. Son intensité spectrale peut, par conséquent, être beaucoup plus grande que l'intensité spectrale qui correspond à la radiation thermique d'un corps noir chauffé à la température de flamme. La radiation ultraviolette est associée au réarrangement pendant la réaction 15 des orbites électroniques moléculaires. Elle, emprunte donc directement son énergie à certaines réactions chimiques et on dit par conséquent qu'elle est chimio-luminescente. L'émission dominante o o manifestée par les flammes de la figure 1 à 3060 A et 2810 A est due aux états excités de la molécule OH. Les spectres de flammes 20 deviennent plus complexes si d'autres espèces atomiques telles que des halogènes et des métaux sont ajoutées à la réaction. Les mécanismes de génération moléculaire de radiation ultraviolette demeurent cependant très semblables. Le problème principal associé à l'utilisation de l'é-, 25 mission ultraviolette comme moyen de détection de flammes, résulte de ce qu'une flamme émet une quantité de radiation ultraviolette relativement faible, et que, par conséquent, des détecteurs ultraviolet très sensibles sont nécessaires dans beaucoup d'applications. De plus, l'amplitude de l'énergie émise par la flamme 30 dans le domaine ultraviolet du spectre est souvent plus faible que l'énergie présente dans les domaines visible et infrarouge de celui-ci qui provient des lumières artificielles ou du rayonnement solaire; il est par conséquent nécessaire que le détecteur ultraviolet soit sensible à la radiation ultraviolette et insen-35 sible à toute radiation ambiante éventuellement présente. Dans de nombreux cas, le détecteur est directement, utilisé à la lumière solaire et les grandes longueurs d'onde doivent par conséquent ê-tre coupées à partir de 2850 angstrSms environ. Il est souhaitable, pour toutes les applications, que la courbe de réponse du 40 détecteur possède, du fait que l'intensité relative de l'émission 72 00033 3. 2125273 des flammes décroit rapidement avec les longueurs d'onde décroissantes, une coupure rapide pour les grandes longueurs d'onde, ainsi qu'un haut degré de sensibilité au-dessous de la longueur d'onde de coupure. 5 Les tubes photomultiplicateurs et les tubes à gaz à ca thode froide sont deux types de détecteurs d'ultraviolet usuels„ Alors, que les tubes photomultiplicateurs peuvent avoir une sensibilité extrêmement grande, ils ont des désavantages, qui sont d'être coûteux, de nécessiter des tensions élevées, d'être fragiles 10 ou sujets à des dommages du fait des vibration^, et de ne pas a-voir une coupure rapide pour les grandes longueurs d'onde, ce qui fait qu'ils sont sensibles dans le domaine visible du spectre. Les tubes pour ultraviolet à cathode froide sont des tubes à décharge gazeuse qui s'allument lorsqu'ils sont soumis à 15 un rayonnement ultraviolet. Ces tubes, qui sont actuellement utilisés dans les systèmes de fours, possèdent un haut degré de sensibilité, et, si le matériau de la cathode a été convenablement O choisi, leur réponse n'est significative qu'en dessous de 2800 A. La décharge est provoquée par effet photoélectrique sur la catho-20 de du tube, et la sensibilité spectrale n'augmente par conséquent que lentement avec les longueurs d'onde décroissantes. L'absence de coupure des grandes longueurs d'onde impose que la sensibilité de crête du tube soit bien en-dessous de la longueur d'onde de coupure imposée par la lumière ambiante. Les tubes à ultraviolet 25 à cathode froide ont encore d'autres désavantages, tels que le risque de casse ou de dommages du fait des radiations, ainsi que l'obligation d'utiliser des tensions élevées, et la difficulté qu'il y a à obtenir des tubes sûrs dont la réponse s*étende au- O delà de 3000 A, par suite des dommages causés par le bombardement 30 ionique à la cathode» Les détecteurs d'ultraviolet à l'état solide présentent différents avantages potentiels, parmi lesquels la robustesse, la compatibilité avec les circuits intégrés^ les faibles dimensions et la grande durée de vie. 35 3n dépit de ces avantages potentiels, on ne disposait pas jusqu'ici de tels détecteurs répondent uniquement aux radiations ultraviolettes et capables de capter une radiation de faible intensité, aussi bien en mode de fonctionnement continu qu'en mode alternatif. 4-0 En mode de fonctionnement continu, le détecteur répond 72 00033 4. 2125273 aux radiations ininterrompues provenant d'une source en état permanent. Le signal du détecteur est amplifié par des méthodes continues conventionnelles bien connues dans cette technique. La restriction fondamentale, pour un détecteur fonctionnant en mode 5 d'opération continu, est que le courant d'obscurité, ou en d'autres termes le courant circulant dans le détecteur lorsque celui-ci ne reçoit aucune radiation incidente, doit être beaucoup plus faible que le photocourant produit par une radiation incidente. On a pu, dans la technique antérieure, fabriquer des détecteurs 10 à l'état solide capables de répondre seulement à une radiation ultraviolette, qui étaient hautement résistants (environ 10"^ à 10^ ohms) et qui avaient par conséquent un courant d'obscurité très faible. Ces détecteurs de la technique antérieure n'avaient cependant pas une sensibilité suffisante pour produire, en répon-15 se aux radiations de sources d'intensité extrêmement faibles, telles que des flammes pilotes de gaz, des photocourants assez intenses pour pouvoir être détectés par un détecteur fonctionnant en mode continu. Dans le fonctionnement en mode continu, la radiation 20 incidente est interrompue périodiquement et le signal périodique fourni par le détecteur est amplifié par des méthodes de courant alternatif bien connues. Le mode de fonctionnement en alternatif procure, pour les radiations extrêmement faibles, une sensibilité accrue. Le mode alternatif a cependant le double désavantage d'ê-25 tre plus onéreux et de nécessiter un système de détection des radiations complexe. La fabrication d'un détecteur d'ultraviolet à l'état solide convenable est encore compliquée, en plus de la faible sensibilité qui caractérise les matériaux à large intervalle d'é-30 nergie, par d^autres propriétés. Premièrement, les matériaux à intervalles d'énergie larges sont caractérisés par des taux de recombinaison libre trous-électrons extrêmement rapides, ce qui interdit l'utilisation d'effets photoconducteurs globaux. Deuxièmement, les matériaux à intervalles d'énergie larges ne sont pas 35 amphotériques; en d'autres termes, ils n'existent normalement qu'avec un seul type de conductivité, soit le type H", soit le type P. Il est par conséquent extrêmement difficile de fabriquer a-vec ces matériaux des jonctions convenant pour la détection des radiations. 40 On construit normalement, pour réaliser des photodiodes, 72 00033 5 2125273 des détecteurs d'ultraviolet à l'état solide utilisant du. carbure de silicium (SiC), lequel peut être rendu à la fois ÏF et P. Toutefois, l'intervalle d'énergie de SiC n'est que de 3 électrons— volts, et, par conséquent, ces détecteurs ont toujours quelque O 5 sensibilité pour les longueurs d'onde voisines de 4100 A. Le SiO est donc un mauvais matériau pour bien des applications, puisqu'il est sensible à la fois dans les domaines visible et ultraviolet du spectre. Il f-aut, pour isoler la réponse ultraviolette au moyen de filtres, des filtres efficaces transmettant les photons 10 de haute énergie et absorbant les photons de bg.sse énergie. Comme, dans beaucoup d'applications, la proportion de radiation ambiante dans le domaine visible du spectre est supérieure de plu- -sieurs ordres de grandeur à celle de la radiation ultraviolette, les filtres doivent posséder pour la lumière visible une réjec-13 tion très grande. Des filtres capables d'isoler le domaine ultraviolet du spectre sont par conséquent extrêmement difficiles à réaliser. Un autre matériau à l'état solide qui est utilisé comme détecteur d'ultraviolet est le sulfure de zinc (ZnS), qui a un 20 intervalle d'énergie de 3,6 électrons-volts, de sorte que la Ion- O gueur d'onde de coupure du matériau non dopé est de 3400 A. Le 7,rtR doit cependant être activé par des impuretés d'éléments donneurs ou accepteurs afin de devenir photosensible. Ces impuretés O déplacent la réponse de crête jusqu'à 3700 A, en étendant ainsi 25 la sensibilité de la cellule au-delà de 4000 A» Comme c'était le cas pour le SiC, le ZnS ne convient pas, pour beaucoup d'applications, comme matériau de détecteur d'ultraviolet. Le tantalate de potassium (KTaO^) est un semiconducteur extrinsèque de type N, de structure cubique Perovskite, qui pos-30 sède un large intervalle d'énergie (approximativement 3,5 élec-trons-volts). Les matériaux de la famille Perovskite incluent le KTaO^, le niobate de lithium (LiîTbO^) le titanate de strontium (SrTiOj) ainsi que plusieurs autres composés de formule générale-AB0,. Les intervalles d'énergie de ces matériaux vont de 2,8 à 35 3,7 électrons-volts. La photoréponse du KTaO^ a été étudié par- e-xemple, par Kahng et Braun dans la publication "Journal of applied. physics", de janvier 1967, PP 353-359. La figure 2 représente le dispositif utilisé pour mesurer la photoréponse de jonctions métal-semiconducteur constituées par des points d'or, de. platine, 40 de palladium, d'indium, de nickel et de cuivre déposés sous vide 72 00033 60 2125273 sur une surface de KTaO^ fraicliement clivée et décapée (100). Comme on peut le voir sur la figure 2, l'incidence de la radiation se faisant sur la "face postérieure", c'est-à-dire sur la surface opposée à celle portant la jonction métal-semiconducteur. 5 La figure 3 représente, en fonction de la longueur d' onde, la photoréponse relative d'une jonction métal-semiconduc-teur à KT'aO^, éclairée sur la face postérieure comme il est représenté sur la figure 2. La réponse de crête se produit pour la O longueur d'onde de 3500 A. Cela est dû au fait que la lumière in-10 cidente sur le détecteur doit passer à travers le volume de ETaO^ avant d'atteindre la jonction métal-semiconducteur et que, par conséquent, seules les composantes de la lumière dont l'énergie est moindre que l'énergie d'intervalle atteignent la jonction métal-semiconducteur. On croit que cette réponse est due à l'exci-15 tation des électrons du métal sur la barrière de surface. Puisque le potentiel de barrière est moindre que l'intervalle d'énergie du KTaOj, une pîiotoréponse aux radiations du domaine visible du spectre est possible et la coupure brusque des grandes longueurs d'onde ne se produit plus. La courbe de réponse représentée sur 20 la figure 3 montre que l'intervalle d'énergie du KTaO, correspond o 2 à une réponse de crête d'environ 3400 A, puisque, seule, la lumière dont l'énergie est moindre que l'intervalle d'énergies atteint la jonction. La présente invention concerne des détecteurs de radia-25 tions ultraviolettes photoconducteurs et photovoltaïques capables de capter des radiations d'intensités extrêmement faibles, aussi bien en fonctionnement continu qu'en fonctionnement alternatif. La réponse de pointe des détecteurs de la présente invention se produit aux environs de 2600 à 2800 angstrSms. Les détecteurs 30 comportent un corps en KTaO^ extrêmement résistant possédant une surface "crue-naturellement" sur laquelle sont fixés deux contacts métalliques. La surface 'ferue-naturellement" est définie comme étant une surface plane extérieure d'un cristal qui n'a été modifiée en aucune façon par un polissage mécanique ou chimique. 35 Dans le cas d'un détecteur photoconducteur, qui est dé fini comme un photodétecteur fonctionnant avec application d'une tension de polarisation extérieure, le premier et le second contacts constituent essentiellement des jonctions métal-semiconducteur à barrière de surface identiques. Le détecteur photovoltaï-40 qaet qui fonctionne sans application d'une tension de polarisa 72 00033 7. 2125273 tion extérieure, possède deux jonctions à barrière de surface différentes, et, sous sa forme préférée, un des contacts métalliques assure un contact ohmiaue avec la surface de croissance naturelle. 5 Lorsque la surface de croissance naturelle d'un détec teur, soit photoconducteur, soit photovoltaïque, est éclairée sur le "côté frontal", le détecteur manifeste une réponse de O crête inattendue vers 2600 à 2800 A. L'intervalle d'énergie du KTaOj étant approximativement de 3,5 électrons-volts, la réponse 10 de crête attendue de la part d'un détecteur à ^clairement frontal o \ est d'environ 3400 A, ce qui correspond à l'intervalle d'énergie. Le détecteur photoconducteur se différencie encore plus ~. des dispositifs de la technique antérieure par le résultat inattendu que le gain photoconducteur, qui est défini comme étant le 15 rapport du nombre des charges en excès circulant entre les électrodes au nombre de photons absorbés, pendant un certain intervalle de temps, est supérieur à l'unité. La théorie de Schottky des dispositifs à barrière de surface prédit que le maximum possible de gain photoconducteur est l'unité. 20 D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre donnée en référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 représente, pour différents types de flammes, l'émission relative en fonction de la longueur d'onde. 25 La figure 2 représente un dispositif de mesure de la photoréponse d'une jonction métal-semiconducteur à EŒaO^ éclairée du côté postérieur. La figure 3 représente, en fonction de la longueur d'onde, la photoréponse d'une jonction métal-semiconducteur à KTaO^ 30 éclairée du côté postérieur. Les figures 4 et 4a représentent des détecteurs d'ultraviolet photoconducteurs à KTaO^ suivant la présente invention. La figure 5 représente, en fonction de la longueur d'onde, et pour différentes tensions de polarisation, le photocou-35 rant d'un détecteur photoconducteur suivant la présente invention. La figure 6 représente, en fonction de la longueur d'onde, le photocourant de détecteurs photoconducteurs à KTaO^ utilisant différents métaux de contact. ' Les figures 7a, 7t> et 7c représentent schématiquement 40 les niveaux d'énergie du KTaO^ et d'un métal tel que de l'argent, 72 00033 8. 2125273 respectivement avant contact, au moment où le contact est établi, et après que l'équilibre a été atteint. La figure 8 représente, en fonction de la longueur d'onde, le gain photoconducteur d'un détecteur photoconducteur à 5 KTaOj. La figure 9 représente un diagramme comparant la réponse relative, en fonction de la longueur d'onde, d'un détecteur photoconducteur à EDaO^ éclairé sur le côté postérieur et sur le côté frontal. 10 La figure 10 représente un dispositif à KTaO^ utilisé pour étudier le rôle que joue le volume de matériau KTaO^ dans le mécanisme de photodétection. La figure 11 représente, en fonction de la longueur d'onde, le photocourant du dispositif représenté sur la figure 10. 15 La figure 12 représente un diagramme comparant, en fonction de la longueur d'onde, le photocourant d'un dispositif photoconducteur suivant la présente invention utilisant une surface de KTaO^, ayant crû-naturellement, avec le photocourant d'un détecteur utilisant une surface de KTaO^, clivée, d'un détecteur 20 utilisant une surface de KTaO^ ayant crû-nature11ement dont la portion comprise entre les contacts a été érodée, et du dispositif représenté sur la figure 10. La figure 13 représente scheipatiquement le diagramme d'énergies d'un détecteur photoconducteur de la présente inven-25 tion, sang application d'une tension de polarisation. La figure 14 représente schématiquement le diagramme d'énergies d'un détecteur photoconducteur de la présente invention, avec application d'une irersion de polarisation, La figure 15 représente schématiquement le diagramme 30 d'énergies d'un détecteur photovolt aïque à KTaO^ suivant la présente invention. La figure 16 représente, en fonction de la longueur d'onde, la photoréponse d'un détecteur photovoltaïque suivant la présente invention. 35 Les figures 4 et 4a représente un détecteur de radia tions ultraviolettes photoconducteur dans lequel une paire de contacts métalliques 10 et 11 sont fixés sur une surface ayant crû-naturellement 12 d'un corps en KTaO^ de haute résistivité, en constituant, à l'interface du contact et du corps, une jonction 40 métal-semiconducteur du type à barrière de surface. Une batterie 72 00033 9. 2125273 14- polarise le détecteur, et un ampèremètre 15 mesure le courant qui le traverse. Une radiation incidente 16 tombe sur la surface 12 » Les contacts 10 et 11 sont du même métal et engendrent 5 par conséquent aux jonctions métal-semiconducteur respectives des barrières de potentiel pratiquement identiques. Pour pouvoir former une barrière de potentiel, le métal utilisé pour les contacts doit avoir un travail de sortie différent de celui du ETaO-,. Le 3 cuivre, l'or, le gallium, l'argent, l'indium, le chrome, le plati-10 ne, le magnésium et l'aluminium sont des exemples de métaux qui peuvent être utilisés dans la présente invention pour la formation de contacts. Les contacts peuvent être formés par évaporaticn ' de métal, ou par peinture à l'écran de soie sur une surface d'un corps en KTaO^ ayant crû naturellement. Les contacts peuvent être 15 réalisés sous la forme de points rapprochés, ou sous la forme d'une figure géométrique particulière telle que la figure imbriquée représentée sur la figure 4-a. Dans le mode de réalisation préféré, les contacts sont des points d'argent évaporés ou peints. Ainsi qu'on l'a expliqué plus haut, un détecteur en é-20 tat solide fonctionnant en mode continu doit fournir un photocourant qui soit grand par rapport au courant d'obscurité du détecteur. La présente invention exige donc l'utilisation d'un corps de KTaO^ non dopé de très haute résistivité afin que son courant d'obscurité soit très faible. On a fait croître du JGTaO^, qui 25 puisse être utilisé dans un détecteur à l'état solide suivant la présente invention, à une température pratiquement constante d'environ 1285°C, ou environ 134-0°C quand on la mesure avec un pyromètre optique non corrigé. Le ETaO^ ayant crû à des températures de 1285°C ou voisines, a -un courant d'obscurité plus grand. 30 On a trouvé que des cristaux de KTaO^ ayant crû à des' températures comprises entre 1300°C environ et 1520°C environ possèdent à la fois une photosensibilité excellente et un courant d'obscurité faible, de sorte que de tels cristaux constituent le matériau de détecteur préféré dans la présente invention. 35 La figure 5 représente, en fonction de la longueur d' onde et pour des tensions de polarisation de 10, 50, 200 et 600 volts, le photocourant clu- détecteur représenté sur la figure 4-. Les contacts métalliques 10 et 11 sont des contacts de gallium O déposés sous vide. On pense que le démarrage soudain à 34-00 A en-4-0 viron est un effet de l'établissement d'une excitation intrinsèque 72 00033 10. 2125273 par franchissement de l'intervalle d'énergie et constitue par conséquent une mesure de cet intervalle. Si le photocourant est dû uniquement à la création de paires d'électrons-trous dans le volume de KTaO^, le photocourant n'augmenterait pas autant lors-5 que l'énergie du photon excède 3,5 électrons-volts, c'est-à-dire l'intervalle d'énergie du KTaCX,. Au contraire, la réponse de crè- o O te se produit à environ 2700 A, longueur d'onde qui correspond à une énergie beaucoup plus grande que l'intervalle d'énergie du KTaOj. 10 La figure 6 représente, en fonction de la longueur d' onde, le photocourant de détecteurs à KTaO^ possédant des contacts en cuivre, or, argent, magnésium et aluminium. Tous les dé- O tecteurs ont une réponse de crête pour environ 2600 à 2800 A. En plus de la longueur d'onde de crête inattendue indi-15 quée ci-dessus, on a trouvé que les détecteurs photoconducteurs à KTaO^ analogues à celui qui est représenté sur la figure 4- possèdent un gain photoconducteur supérieur à l'unité, c'est-à-dire au maximum de gain photoconducteur théorique prédit par la théorie de Schottky des dispositifs à barrière de surface. La valeur de 20 ce gain atteint quelquefois 10^. Pour apprécier la signification de cette découverte, il convient de parler des effets photoélectriques dans les dispositifs à barrière de surface. Lorsqu'un métal et un semiconducteur ayant des travaux de sortie égaux sont mis en contact, il n'y a pas de transfert de 25 charge, et la bande de conduction dans le semiconducteur demeure plate jusqu'à l'interface métal-semiconducteur. Lorsqu'un champ électrique est appliqué à travers cette jonction, un courant conforme à la loi d'Ohm J= 72 00033 ii. 2125273 et le courant dans le semiconducteur est commandé par la jonction, le courant n'est pas ohmique, sauf pour les tensions très faibles. Les figures 7a, 7h et 7c représentent la formation d'u-5 ne jonction à barrière de surface. Sur la figure 7a, un semiconducteur KTaO^ de type ï et un métal tel que de l'argent sont représentés avant leur contact. Au moment où l'argent vient en contact avec le KTaO-, (figure 7*0 des électrons s'écoulent du ZTaO-, o o dans le métal de façon à égaliser les niveaux de Fermi (Ef) de 10 chaque côté de l'interface. Lorsque le système atteint son équilibre (figure 7e) "u^e barrière de potentiel s'est formée à l'interface, et empêche un écoulement supplémentaire d'électrons du KTaO-, dans le métal. 3 La photoréponse d'un dispositif à barrière de surface 15 provient essentiellement de deux sources. La première agit lorsqu'un photon est absorbé par le métal, au voisinage de l'interface métal-semiconducteur, et excite un électron à travers la barrière de surface. Ce type de réponse peut se produire pour des é-nergies de photons inférieures à l'intervalle d'énergie du semi-20 conducteur et crée, au plus, un porteur photo-excité par photon incident. Le gain maximum possible de photoconductibilité est donc égal à l'unité. Le second type de photoréponse se produit lorsqu'un photon, dans un champ intense, est absorbé dans la couche appauvrie d'une jonction inversement polarisée et crée une 25 paire électron-trou. Le trou est aspiré par le champ, dans la jonction, à travers le contact, en laissant l'électron libre de s'écouler -dans le circuit extérieur. La barrière de potentiel à la jonction inversement polarisée bloque le flux d'électrons de sorte qu'un seul porteur photo-excité par photon peut circuler 30 "dans le circuit. Le gain de photoconductivité maximal est par conséquent limité à l'unité0 En se référant à la figure 8, le gain de photoconductivité d'un détecteur à EEaO^ typique de la présente invention est représenté en fonction de la longueur d'onde. Pour les longueurs 35 d'onde correspondant à des énergies de photon inférieures à l'in— O tervalle d'énergie, le gain est inférieur à l'unité. A 3400 A, ce qui correspond à l'intervalle d'énergie du KTaO^, le gain est approximativement égal à 1'unité, comme le prévoit la théorie de Schottky de la photoréponse des dispositifs à barrière de surfa-40 ce. Le gain augmente pourtant avec les longueurs d'onde décrois- 72 00033 12. 2125273 saute s et la crête atteint une valeur de 10^ approximativement. Gela indique qu'en plus des effets photoélectriques primaires prédits par la théorie de Schottky, il existe un effet photoélectrique secondaire dont le gain maximal de photoconductivité n'est 5 pas limité à l'unité. La figure 9 compare la photoréponse relative, en fonction de la longueur d'onde, du même détecteur à KTaO^ avec des contacts en argent peint, et éclairé, d'abord du côté postérieur, ensuite du côté frontal. En plus des différentes longueurs d'onde 10 de crête, on devra noter que le mécanisme de gain de photoconductivité qui apparaît avec le détecteur éclairé sur sa face fronta-. le n'apparaît pas lorsque le détecteur est éclairé sur sa face arrière. En conséquence, l'amplitude de la photoréponse du détecteur éclairé sur sa face frontale est beaucoup plus grande que 15 celle du détecteur éclairé sur sa face postérieure. Afin d'étudier le rôle que joue dans le mécanisme de photodétection le volume du matériau ETaO^, on a évaporé sur la surface 21, crue naturellement, d'un cristal de ETaO^ 22, d'une épaisseur de 1 mm, représenté sur la figure 10, un contact d'ar-20 gent mince 20 (approximativement 100 angstrtSms). La surface opposée 23 a été rodée et polie, et enduite, pour former contact, d'une couche épaisse de peinture à l'argent 24. Le détecteur était polarisé par une batterie 25 et on mesurait le courant traversant le détecteur au moyen d'un ampèremètre 26. Le fin contact d'argent 25 20 était à peu près transparent pour la radiation 27, incidente sur la surface crue naturellement. La figure 11 montre, en fonction de la longueur d'onde, le photocourant du détecteur de la figure 10. La réponse était beaucoup, plus faible que celle du détecteur dont les deux contacts se trouvaient sur une surface crue 30 naturellement et elle avait un pic aigu correspondant à line énergie un peu inférieure à l'intervalle d'énergie. Puisque la jonction métal-semiconducteur formée par le contact transparent était la même que les deux jonctions formées par les deux contacts sur surfaces ayant crû naturellement, la différence entre les photo-35 réponses était due à une différence entre les propriétés de surface et de volume de KTaO-,. La différence entre la surface ayant crû naturellement et le matériau de EPaO^ intérieur a été déterminée en formant, sur une surface intérieure d'un cristal de ETaO^, obtenue par 40 clivage du cristal, deux contacts ponctuels voisins en argent 72 00033 13. 2125273 peint. La figure 12 montre que le photocourant de crête du détecteur utilisant la surface clivée était plus faible, de façon significative, que celle du détecteur fabriqué avec une surface a-yant crû naturellement. On a superposé sur la figure 12, pour fa-5 ciliter la comparaison, le photocourant, en fonction de la longueur d'onde, du détecteur utilisant les propriétés de volume de KTaO^, qui était représenté sur la figure 11. Afin de déterminer l'épaisseur de la couche qui provoque la forte photoréponse inattendue, on a fabriqué un détecteur 10 sur une surface de KTaO^ ayant cru naturellement avec des contacts d'argent espacés d'environ 4 millimètres.- Le photocourant initial de ce détecteur, lorsqu'il était éclairé pair une source ultraviolette de bande large, et polarisé à 100 volts, était de 1 x 10"4 ampères. On a érodé, entre les contacts, une portion de 15 la surface crue naturellement de deux millimètres de large, jusqu'à une profondeur de 0,025 millimètre. , en utilisant une pâte de grains d'oxyde d'aluminium de calibre 600. Après érosion, le photocourant a diminué jusqu'à 3 x 10"7 ampères. On a augmenté graduellement la profondeur de l'érosion et on a de nouveau mesu-20 ré le courant après chaque érosion. Le tableau I montre les résultats de ces mesures. TABLEAU I. Profondeur de l'érosion (mm) Photocourant avec une polarisa- tion de 100 volts (amp). 25 0 1 x 10~4 0,025 3 x 10"7 0,050 1 x 10~7 0,175 1 x 10~7 0,375 9 x 10~8 30 Les mesures faites pour différentes profondeurs d'éro sion indiquent que le photocourant est grandement accru par la présence d'une surface crue naturellement, qui est différente du matériau de l'intérieur. Du fait que le photocourant augmente beaucoup après l'érosion initiale, et varie relativement peu aires 35 les érosions ultérieures, il apparaît que la profondeur de la couche est inférieure à 0,025 mm. On a mesuré le photocourant, en fonction de la longueur d'onde, pour une profondeur d'érosion de 0,175 mm et la réponse obtenue est comparée sur la figure 12 à la réponse de détecteurs à surface clivée et crue-naturellement. On 40 notera que les photoréponses des détecteurs à surface clivée et 72 00033 14. 2125273 crue-naturellement sont semblables. Les détecteurs sont essentiellement, dans ces deux cas, deux jonctions métal-semiconducteur connectées par un volume de matériau. Le détecteur clivé diffère du détecteur érodé en ce que la jonction métal-semicon-5 ducteur est formée sur une surface intérieure et non sur une surface crue naturellement. Les analogies de réponse indiquent, ou bien que le photocourant est limité par la résistance de la surface intérieure, ou bien que les jonctions métal-semiconducteur formées sur les surfaces crues naturellement et intérieure sont 10 les mêmes. Bien que le mécanisme particulier de la photoréponse donnée par la surface crue naturellement ne soit pas bien compris, un modèle phénoménologique vraisemblable de la photoréponse du détecteur à ZTaO^ est le suivant. La jonction métal-semicon-15 ducteur se comporte comme une jonction à barrière de surface modifiée, dont la modification a pour cause l'existence de pièges à trous près de la surface. Ces pièges à trous se remplissent lorsque de la lumière ultraviolette est absorbée par le détecteur, é-tablissant ainsi près de la jonction un potentiel attractif qui 20 abaisse la barrière de potentiel et provoque un accroissement du flux de courant. Cet abaissement de la barrière de potentiel est une condition nécessaire pour que le gain de photoconductivité puisse excéder l'unité. La surface crue-naturellement permet l'abaissement de la barrière de potentiel, d'abord parce qu'elle au-25 torise l'existence d'états de piégeage, et ensuite parce qu'elle possède une conductivité supérieure à celle du matériau en volume qui permet une augmentation du flux de courant. Pour de nombreuses applications, et en particulier pour la détection des flammes, il est hautement désirable que le dé-30 tecteur d'ultraviolet en état solide fonctionne en auto-sécurité. Ce mode de fonctionnement implique que le détecteur soit complètement auto-polarisé, en d'autres termes qu'il soit photovoltaï-que. Les détecteurs à KTaO^ décrits précédemment en référence à la figure 4 possèdent deux contacts de même métal formés sur une 35 surface crue-naturellement. La figure 13 représente schématiquement le diagramme des énergies d'un détecteur photoconducteur auquel n'est appliquée aucune tension de polarisation extérieure. Les lignes continues représentent les niveaux d'énergie de Permi (E^), de la bande de valence (Y.B.) et de la bande de conduction 40 (C.B.) du détecteur, lorsqu'aucune radiation n'est incidente. Les 72 00033 15. 2125273 lignes en trait interrompu représentent les mêmes niveaux d'énergie (désignés par E^', V.B.', et C.B.') lorsque le détecteur est irradié par de la lumière ultraviolette. Si les jonctions sont parfaitement identiques, la séparation de charges est la même 5 pour chacune. Au fur et à mesure que la charge de chaque jonction s'établit, elle tend à polariser directement la jonction, et provoque une diminution de la barrière de potentiel. C'est ce qui est représenté schématiquement par le déplacement vers le haut de la bande de valence et de la bande de conduction. Le niveau de 10 Fermi est contraint de conserver une différence d'énergie constante avec la bande de conduction, et par conséquent il s'élève aussi. La grandeur du déplacement du niveau de i"ermi sous l'influence de la radiation ultraviolette est en relation directe a-vec l'amplitude de la phototension attendue de la part du détec-15 teur. Toutefois, lorsqu'aucune polarisation n'est appliquée aux deux jonctions identiques, la barrière de potentiel est abaissée de la même quantité et l'effet global produit n'est qu'une tension nulle. Tout se passe comme si on avait deux sources de tension de même amplitude et opposées l'une à l'autre. 20 Lorsqu'une tension de polarisation est appliquée au dé tecteur photoconducteur, le diagramme des énergies est représenté schématiquement sur la figure 14. La jonction directement polarisée n'oppose au flux d'électrons qu'une barrière de potentiel négligeable si on la compare à celle de la jonction inversement po-25 larisée. Le courant de fuite de la jonction directement polarisée submerge tous les photocourants engendrés. Cependant, les photons qui sont absorbés près de la jonction inversement polarisée créent des paires trous-électrons qui sont mesurables puisque le courant de fuite de la jonction inversement polarisée est très faible. 30 Lorsqu'une paire trou-électron est créée, le trou est aspiré dans le contact métallique, laissant l'électron libre de circuler dans le circuit extérieur. Le fait que la jonction inversement polarisée soit la seule jonction active dans le processus de photodétection a été vérifié en balayant l'aire de contact avec ion petit 35 faisceau de lumière. Les données recueillies lors de ce balayage indiquent que l'essentiel de la photoréponse provient de l'aire qui est directement adjacente à la jonction inversement polarisée. Compte-tenu du fonctionnement du détecteur à KTaO^ photoconducteur, il est facile de voir que, pour réaliser un détec-40 teur photovoltaïque, les potentiels des première et seconde bar 72 00033 2125273 rières de surface doivent être de hauteurs différentes. Un détecteur photovoltaïque est constitué, comme un détecteur photoconducteur, en établissant deux contacts sur une surface de EDaO^ crue-naturellement. les contacts sont cependant constitués de mé-5 taux différents de telle sorte que le premier contact forme une jonction métal-semiconducteur ayant un potentiel de barrière de surface élevé, tandis que le second contact, en métal différent, forme une seconde jonction métal-semiconducteur ayant un potentiel de barrière de surface plus bas. Le second contact doit être 10 de faible résistance de façon à ne pas limiter le courant de court-circuit ni le temps de réponse du détecteur. Dans le mode de réalisation préféré, le premier contact est un point d'argent peint ou évaporé, tandis que le second contact est un contact oh-mique constitué en alliage riche en indium soudé aux ultrasons. 15 Dans ce mode de réalisation, le potentiel de la seconde barrière de surface est pratiquement nul. La figure 15 est un diagramme schématique correspondant à un détecteur à KTaO^ photovoltaïque auquel n'est appliquée aucune tension de polarisation extérieure. Comme sur la figure 13, 20 les lignes continues représentent les niveaux d'énergie du détecteur lorsqu'aucune radiation n'est présente, et les lignes en trait interrompu représentent les niveaux d'énergie du détecteur lorsqu'une radiation ultraviolette est présente. Lorsque le détecteur est irradié par de la lumière ultraviolette, la sépara-25 tion de charges à la jonction à barrière de surface provoque un changement de position du niveau de Fermi qui est égal à la tension en circuit ouvert. Si un fil étaitconnecté entre les deux contacts, une charge s'écoulerait à travers le fil pour ramener le niveau de 3?ermi à sa position originale. Ce courant serait le 30 courant de court-circuit du détecteur. La figure 16 représente, en fonction de la longueur d'onde, la photoréponse relative d'un détecteur dans lequel un contact en peinture d'argent et un contact en alliage contenant 96,5 % d'indium^ 3 % d'antimoine, 0,5 % de gallium, soudé aux ultrasons, ont été formés sur une surface de KTaOj crue-naturelle-ment. La radiation était incidente sur la surface crue-naturelle-ment et aucune polarisation extérieure n'était appliquée au détecteur. Le détecteur photovoltaïque montre, comme le détecteur photoconducteur, une réponse de crête entre 2600 et 2800 A. Bien que l'invention ait été particulièrement représentée et décrite en référence à ses modes de réalisation préférés, les spécialistes de cette technique comprendront qu'on peut y apporter des changements de forme et de détails sans sortir du ca-40 dre de l'invention. 72 00033 17. 2125273 REVENDICATIONS. 1. Un détecteur de radiation ultraviolette à l'état solide, caractérisé en ce qu'il comporte un corps en tantalate de potassium hautement résistant dont la croissance s'est faite à u- 5 ne température pratiquement constante, comprise entre environ 1285°C et environ 1340°C, et possédant -une surface crue-naturellement sur laquelle une radiation ultraviolette est incidente, et un premier et un second contacts métalliques fixés à ladite surface crue-naturellement afin de former une première et une secon-10 de jonction métal-semiconducteur, engendrant aipc jonctions respectives une première et une seconde "barrières de potentiel. 2. Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le corps de tantalate de potassium hautement résistant a crû à une température pratique- 15 ment constante comprise entre environ 1300°C et environ 1320°C. 3- Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le premier et le second contacts métalliques sont formés du même métal. 4. Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la 20 revendication 3j caractérisé en ce que le premier et le second contacts métalliques sont formés d'un métal du groupe constitué par : le cuivre, l'or, le gallium, l'argent, l'indium, le chrome, le platine, le magnésium et l'aluminium. 5. Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la 25 revendication 4, caractérisé en ce que le premier et le second contacts sont des points d'argent peints. 6. Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le premier et le second contacts sont des points d'argent évaporé. 30 7. Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la revendication 3j caractérisé en ce que le premier et le second contacts forment sur la surface crue-naturellement une figure imbriquée. 8. Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la 35 revendication 1, caractérisé en ce que la première barrière de potentiel est plus élevée que la seconde barrière de potentiel. 9. Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le second contact métallique est un contact ohmique. 40 10. Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la 72 00033 18. 2125273 revendication 9, caractérisé en ce que le second contact est un alliage riche en iridium soudé aux ultrasons. 11. Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la revendication 10, caractérisé en ce que l'alliage riche en indium 5 est un alliage qui contient 96,5 % d'indium, 3 % d'antimoine, et 0,5 % de gallium. 12. Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le premier contact métallique est une couche d'argent peint. 10 13. Un détecteur de radiation ultraviolette suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le premier contact métallique est une couche d'argent évaporé.