Brevet FR2232087A1 — publié le 19741227

L'invention, concernant la détection de lumière infrarouge, est plus spécifiquement relative à un dispositif détecteur d1infra-rouge, se prêtant à de nombreuses applications grâce à sa sensibilité. On connatt déjà, dans ce but, l'emploi de semi-conducteurs à bande étroite, mais ceux-ci ne sont pas d'emploi commode, car ils nécessitent un fort refroidissement. C'est ainsi qu'il faut refroidir ltantimoniure d'indium, utilisable dans la gamme de 6 à 8/u, par de l'azote liquide. D'autres dispositifs, basés sur la photoconduction avec dopage de Ge:Cd, Si:Sb, Ge:Cu, Ge:Zn, etc. ne peuvent fonctionner qu'å la température de l'hélium liquide et nécessitent des amplificateurs très sensibles et à faible bruit de fond.Quant à l'emploi de composés ternaires, du type Pb Sn Te ou Pb Sn Se, il est gdné par les difficultés que rencontre la croissance des cristaux et par celles de l'établissement des circuits de jonction ou d'amplification. Pour surmonter ces difficultés on a l'idée, selon l'invention, d'employer, pour l'un des éléments d'un transistor amplificateur, un verre sensible à l'infra-rouge; comme on le verra, la région de la "grille" ou "porte" de ce transistor à effet de champ est alors exposée à un faisceau de lumière incidente infra-rouge et la variation de la constante diélectrique du verre et/ou le changement de résistivité du verre qui en résultent, par génération de porteurs dans le verre, modifient la capacité de la grille, ce qui entrain une modulation des courants passant par les électrodes de source, de drain et de grille, modulation qui peut entre exploitée de façon appropriée. Ainsi, l'invention a pour objet un détecteur d'infrarouge constitué par l'association d'un transistor à effet de champ de type MOS, dont l'électrode de grille est transparente à l'infra-rouge et dont la couche vitreuse, disposée sous cette électrode de grille, est en matériau sensible à l'infra-rouge, le détecteur étant disposé de façon à recueillir le rayonnement infra-rouge à détecter sur sa couche vitreuse, à travers ltélec- trode de grille, et le circuit du transistor étant relié à un instrument indicateur. La combinaison de la fonction photoélectrique et de la fonction grille dans un transistor à effet de champ est avantageuse pour détecter de la lumière infra-rouge, à cause des difficultés particulières rencontrées : nécessité d'avoir un bain à basse température et, corrélativement, difficultés d'amplification résultant des pertes de couplage et des contacts incertains. Ces difficultés n'existent pas dans le cas des phototransistors et photothyristors habituels, opérant à la température ordinaire et en lumière visible; elles sont pratiquement résolues pour l'infra-rouge, grâce à l'invention, par incorporation du matériau photoconducteur comme diélectrique dans la grille même du transistor à effet de champ. Toutefois, pour la mise en oeuvre de l'invention, il convient de choisir un diélectrique présentant de bonnes propriétés pour la détection des rayons infra-rouges aussi bien que celles nécessaires (résistivité élevée, constante diélectrique relativement basse) pour faire fonctionner avec un gain suffisant et éventuellement en haute fréquence - s'il s'agit de transmission d'informations rapides par infra-rouge - le transistor considéré. On verra plus loin qu'il est préférable que la modulation infra-rouge agisse sur la résistivité du diélectrique pluttt que sur sa constante diélectrique. L'invention sera mieux expliquée et comprise en se reportant, à titre d'exemples non limitatifs, aux dessins ciannexés, parmi lesquels - la figure 1 représente le schéma de la structure d'un détecteur d'infra-rouge selon l'invention, selon un mode de réalisation; - la figure 2 est un schéma de structure analogue à la figure I, pour un autre mode de réalisation; - la figure 3 est une vue en perspective du détecteur, correspondant à la figure I; et - la figure 4 montre un schéma de montage électrique du détecteur selon l'invention. Sur les figures 1 et 2, on reconnaft la structure d'un transistor PBT (d effet de champ) du type HOS (métal oxyde semiconducteur), modifiée selon l'invention pour en faire un détecteur d'infra-rouge. Sur un substrat t, par exemple en silicium de type N, on a ménagé par diffusion deux zones 2a, 2b de type P séparées. Au moins la région qui relie ces deux zones est habituellement recouverte de silice (SiO2) dans un transistor RET-i;OS habituel. Ici, selon l'invention, la partie centrale reliant ces deux zones est remplacée, au moins partiellement (figure 2) ou bien totalement (figure 1), par une couche vitreuse 3 sensible à l'infra-rouge.Habituellement, on métallise la face supérieure de la couche de silice qui est reliée à l'électrode G de grille; dans le cas présent, on a appliqué une couche mince 5 d'or qui est transparente à l'infra-rouge, de façon à constituer une "fenêtre" pour le faisceau d'infrarouge dirigé sur elle. Les couches 6~, 6b sont, comme habituellement, en métal PI et destinées à assurer le contact électrique avec les zones 2a, 2b au-dessus desquelles elles se trouvent. Sur les figures 2 et 3, on voit que la couche 3, en verre sensible à l'infra-touge, est bordée latéralement et de part et d'autre par des portions de couche de silice 4c, 4d, qui n'existent pas sur la figure 1. Sur la figure 5, on voit que le raccordement de l'électrode 6 a été effectué à l'extrémité de la couche d'or 5, de façon à ménager une "fenttre" aussi grande que possible; de plus, un dispositif optique approprié (non représenté) peut être avantageusement prévu pour diriger les rayons infra-rouges sur cette fenêtre. Après essais, on a reconnu que comme "grille" diélectrique on pouvait, de préférence, utiliser la combinaison semiconductrice As-Te-I constituant un verre très sensible à l'infra-rouge. Ce type de verre est en soi connu dans son utilisation comme détecteur de la transparence de l'air, pour en évaluer la turbulence, et est sensible à des puissances de l'ordre de io#IO watts. Quant au montage d'utilisation, que représente schématiquement la figure 4, il est classique. Il fonctionne avec une batterie Vg (de 2 volts en pratique) pour la tension de commande de grille et avec une batterie Vd (de 20 volts) pour la tension de drain. R1 et R2 sont des résistances réglables, A un amplificateur monté à la sortie du circuit du détecteur dtinfr -rouge, I un instrument indicateur branché à la sortie de l'2molificateur et convenablement étalonné. En utilisant les équations habituelles pour un transistor unipolaire à effet de champ, la transconductance peut être déduite de l'expression suivante pour la largeur ou le rayon bm du canal effectif moyen Vd étant la tension de drain Vg, la tension de grille 2a, la largeur du canal la lamobilité électronique dans le canal la la densité électronique dans le canal. Le courant de drain Jd est obtenu par l'intermédiaire de l'expression de la conductibilité du canal Cri Or, la transconductance s'écrit constante Gracie à ces relations, il est possible de détermi ner quelle est la variation, à savoir celle de # ou de cr, g qui est la plus désirable à l'intérieur du canal. Ce qui est effectivement modifié par le signal infra-rouge est le courant de drain. Par suite, il est possible,d'exprimer la relation (2) de façon à faire apparaître seulement l'influence de et de ##. On obtient ainsi Ja= constante x # - constante ( t po)1/2 (4) pour Vg = constante, o Ae = constante et da constante. T = Autrement dit, le courant de drain varie linéairement vers po et comme la racine carrée de ( t ). . Il est donc préférable d'agir sur la densité de charges dans le diélectrique plutôt que sur la constante diélectrique. Dans le cas Où Vd = constante l'équation (2) devient ou bien Jd constante (1 - pO x constante) ou Jd = ft Po) (7) Pour la capacité on peut écrire C = constante. ( pO - t )1/2 (8) Les changements entre t et P apparaissent équivalents. Par suite, il ressort des équations (4) et (8) qu'un matériau dans lequel pO variera sera plus sensible et donnera une meilleure transconductance qu'un matériau dans lequel t varierait. Le changement dans # , s'il en existe (réponse en fréquence), ne doit pas être supérieur à celui de pO. Une autre caractéristique rend ce dispositif intéressant. Il s'agit du bas niveau de bruit du transistor à effet de champ. En fait, le bruit fondamental provient uniquement du canal source-drain et son bruit thermique est donné par u2 = 4 kT Af Rcanal La limite de puissance de bruit est : Pour 106 Hertz de largeur de bande, on peut avoir un signal détectable pour une puissance incidente de 10 14 Watt: dans le cas d'un opport signal/bruit de 1. Pour une résistance de canal Rc de 10 à 100 ohms, la tension apparaissant serait de soit V = 1 microvolt. c Ainsi, il est possible d'avoir un rendement meilleur que celui des photo-détecteurs habituels, pour lesquels les valeurs de la détectivité D dans la gamme de 1011 Hz sont généralement élevées ou dans lesquels la puissance infra-rouge incidente doit être de deux ou trois ordres de grandeur plus élevée que la valeur indiquée (10 14 watts). Les largeurs de bande et autres considérations sont déterminées par voie expérimentale. On doit ajouter que les transistors à effet de champ MOS présentent un gain opérationnel à basse température (77 K), ce qui est une propriété qui ne peut qu'ajouter aux caractéristiques de bruit minimal désirables pour ce dispositif. Des structures comme celles de l'invention s'adaptent bien à la technologie des couches minces. En particulier, on peut envisager des panneaux comportant des associations matricielles de dispositifs détecteurs. Pour permettre au détecteur de suivre des modulations d'infra-rouge à fréquence élevée, le transistor devra lui-m8me être établi avec une fréquence de coupure assez haute, par exemple supérieure à 10 MHz. Le détecteur de l'invention sera normalement associé à un système optique approprié pour concentrer les rayons infra-rouges sur sa grille. REvnITflIC#TON# 1. Détecteur d'infra-rouge, caractérisé en ce qu'il est constitué par l'association d'un transistor à effet de champ de type 60S, dont l'électrode de grille est transparente à l'infra-rouge et dont la couche vitreuse, disposée sous cette électrode de grille, est en matériau sensible à 11 infra-rouge, le détecteur étant disposé#de façon à recueillir le rayonnement infra-rouge à détecter sur sa couche vitreuse, à travers l'é- lectrode de grille, et le circuit du transistor étant relié à un instrument indicateur. 2. ~ Détecteur d'infra-rouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de grille est constituée par une feuille d'or mince. 3. Détecteur d'infra-rouge selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce que la couche vitreuse a pour composition As-Te-I. 4. Détecteur d'infra-rouge selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la résistivité de la couche vitreuse se modifie en fonction de l'intensité du rayonnement infra-rouge qu'elle reçoit. 5. Détecteur d'infra-rouge selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que la constante diélectrique de la couche vitreuse se modifie en fonction de l'intensité du rayonnement infra-rouge qu'elle reçoit. 6. Détecteur d'infra-rouge modulé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce -que le transistor est établi avec une fréquence de coupure supérieure à 10 tEz, pour permettre au détecteur de suivre des fréquences de modulation élevées. 7. Détecteur d'infra-rouge selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un système optique pour concentrer les rayons infra-rouges sur sa grille. 8. Détecteur d'infra-rouge selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit du transistor est relié à l'instrument indicateur par l'intermédiaire d'un amplificateur. 9. Dispositif détecteur d'infra-rouge caractérisé en ce qu'il est constitué par un panneau comportant l'association matricielle d'un ensemble de détecteurs selon l'une quelconque des revendications précédentes.