Brevet FR2209098A1 — publié le 19740628

La présente invention concerne un procédé pour rendre linéaires les signaux dérivés d'un photo-détecteur du type indiquant la position d'un spot éclairé d'une plaque semi-conductrice incorporée dans le photo-détecteur, les signaux étant formés en déviant un courant latéral engendré par l'énergie lumineuse dans la plaque semi-conductrice, au moyen d'une couche à résistivité sur une face de la plaque, et dirigeant ces courants sur deux paires d'électrodes allongées disposées opposées l'une à l'autre dans un carré, les courants étant ensuite dirigés, à partir de ces électrodes, à travers des moyens de mesure de courant ou de voltage, en retour vers la plaque semi-conductrice, au moyen d'une cinquième électrode, de préférence transparente, recouvrant la face de la plaque semiconductrice qui est opposée à la couche à résistivité, la différence entre les courants ou voltages mesurés des deux électrodes de chaque paire étant formée pour constituer les signaux de sortie, cette différence étant une mesure de la position du spot lumineux le long d'axes perpendiculaires aux électrodes respectives. Après découverte de l'effet photo latéral, les photodétecteurs du type décrit ci-dessus, ont été développés dans des applications pratiques, par exemple dans des systèmes asservis, et dans le but de déterminer la position d'un objet, d'un spot lumineux, dans un système à deux dimensions et coordonnées rectangulaires, dans une cellule photo-électrique. Des cellules photo-électriques à effet latéral de ce genre présentent cependant l'inconvénient que la relation entre les signaux de sortie et les coordonnées indicatrices de la position manque de linéarité, raison pour laquelle il ntest souvent possible d'utiliser qu'une petite portion du centre de la cellule photo-électrique, là où le manque de linéarité n'est pas trop gênant, sauf dans les applications dans des systèmes asservis avec commande vers un spot fixe défini, auquel cas les relations non linéaires sont généralement sans importance. Des tentatives ont été faites pour rendre linéaire la cellule photo-électrique à l'aide de diverses grilles de correction, mais les résultats n'ont pas été encourageants. Entre autres choses, la sensibilité de la cellule est abaissée avec ce type de correction. La présente invention permet de réduire à un niveau aussi bas que 0,1 % sur la totalité de la surface du détecteur qui est à comparer à 80 ffi dans les zones de bord du détecteur sans correction. Aucun des essais faits antérieurement pour réaliser la linéarité n'a donné ni apporté d'aussi bas résultats. Dans ce but, le procédé conforme à l'invention est caractérisé en ce Qu'on divise chaque courant différentiel (voltage dif çérentiel) correspondant à une électrode respective des paires d'électrodes par la somme des courants (voltages) formant la dif- férence, le quotient obtenu étant le signal de sortie rendu linéaire. L'invention s'étend à un dispositif your l'application du procédé ci-dessus ou procédé similaire. La description ci-après se rapporte à un dispositif pour l'application du procédé de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et expliqué avec référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 montre un photo-détecteur latéral dans lequel est appliqué le procédé de linéarisation conforme à l'invention, et la figure 2 est un modèle considérablement simplifié de la division de courant conforme à l'invention dans un photo-détecteur du type représenté dans la figure 1. Pour faciliter l'explication du procédé conforme à l'invention, on décrira d'abord la structure et le mode de fonctionnement d'un photo-détecteur latéral. Comme représenté dans la figure 1, un photo-détecteur latéral est construit autour d'une plaque carrée 1 consistant en un matériau semi-conducteur dopé. La plaque 1 est recouverte, sur sa face supérieure, avec une couche transparente d'or 2 et, sur sa face inférieure, par une mince couche homogène 3 d'un matériau présentant une certaine résistivité. Le long du bord de la couche résistante 3, puis des bords de la plaque 1, sont disposées deux paires d'électrodes de diversion opposés 4. Lorsqu'un spot 5 sur la plaque est éclairé, le flux de lumière arrivant sur la plaque engendre une source de voltage et de courant 6 à travers la jonction p-n de surface de la plaque dopée 1. le voltage ou courant 6 peut former, à travers la couche d'or 2 et la couche résistante 3 avec les électrodes 4, un circuit fermé, avec des moyens de mesure extérieurs (non représentés). On peut ainsi enregistrer quatre courants divisionnaires, un pour chaque électrode 4. La caractéristique intéressante, et celle qui peut etre utilisée dans ce cas, réside en ce que le courant, en dépendance de la position du spot éclairé relativement aux quatre électrodes 4, de / se distribue lui-même irrégulièremententre les électrodes. les courants mesurés à chaque électrode fournissent ainsi une information sur la position du spot éclairé. En accord avec des techniques déjà connues, on a formé la différence entre les courants mesurés dans chaque paire, et la différence a été considérée comme étant essentiellement proportionnelle à la position du spot à l'intérieur d'une zone de surface restreinte au centre du détecteur. Une analyse complète de la manière par laquelle le courant se distribue à la fois dans la plaque semi-conductrice dopée 1 et dans la couche résistante 5 est très compliquée. Il est clair, cependant, que les deux signaux de sortie du dispositif varient, meme si le spot est déplacé suivant une seule direction de coordonnées, ce qui cause la non linéarité considérable mentionnée plus haut. le procédé. de linéarisation conforme à l'invention est expliqué dans ce qui suit en se référant à un modèle hautement sim- plifié représenté dans la figure 2. Sur la couche résistante 3 a été tracé un système de coordonnées x-y, dont les directions axiales ~sont perpendiculaires aux directions longitudinales des électrodes. les courants mesurés aux électrodes et recoupant les axes sont désignés respectivement par ix1 et ix2, et iy1 et iy 2. Lorsqu'un spot (2, y) est éclairé, le courant engendré peut être considéré comme se divisant lui-meme en cea courants, qui s'écoulent à travers les résistances Rx1 et Rx2, et Ry1 et Ry2 vers chacune de leurs électrodes respectives. Ces résistances sont proportionnelles à la distance entre le spot éclairé et ltélectrode respective 4. Comme Rx1 + Rx2 = Rx, Ry1 + Ry2 = Ry, Rx et Ry sont constantes, comme il résulte clairement de la figure. En outre, on a ix1 + ix2 = ix, iy1 + iy2 = iy et ix + iy = i, c'est-à-dire que le courant est dans la direction x, dans la direction y, et à travers.la jonction p-n respectivement. D'après les relations précédentes, la résistance équivalente, par exemple, au couplage en parallèle de R11 et R12 change. de valeur considérablement lorsque le spot éclairé 5 est déplace d'ure position près de l'une des électrodes vers une position yrès du centre du détecteur. En conséquence, ix change également et la différence ix1 - ix2 ne change pas linéairement avec le déplacement des coordonnées. Cependant, les résistances Rx1 et RX2, et Ry 1 et Ry2 res- pectivement sont proportionnelles à la distance entre le spot lumi- neux 5 et respectivement l'une des électrodes. L'expression (R R ) est ainsi proportionnelle à la coordonnée x du spot 5, Si l'origine des coordonnées est positionnée au centre du carré défini par les électrodes, et il en est de même pour la coordonnée y. T1 s'agit donc de trouver une relation linéaire entre ces expressions mentionnées en dernier et les quantités mesurables. in accord avec des lois connues, on a ou et, comme R + R = R = constante, on obtient c'est-à-dire indépendant de la coordonnée y. En formant la différence entre les courants mesurés à une paire d'électrodes, et divisant cette différence par la somme de ces mêmes courants, on obtient un quotient qui est en relation linéaire avec la position imaginée du spot 5. les mêmes conclusions sont applicables à la coordonnée y. Il est à souligner que l'analyse ci-dessus a été faite sur la base d'un modèle très simple du processus réel. L'application générale du modèle peut, bien entendu, être discutée, mais dans le cas présents particulièrement compte tenu du fait que le résultat obtenu a une précision de 0,1 %, l'approximation doit etre considérée comme très bonne. La. possibilité d'application de l'invention à d'autres circuits du type similaire n'a pas été examinée, mais il y a de bonnes raisons pour supposer que le procédé de linéarisation conforme à l'invention est applicable dans une large marge de systèmes utilisant une division de courant dans une couche conductrice. les dispositifs électrcniques pour la réalisation des opérations mathématiques sont de construction facile par des spécialistes de ces techniques et ne sont pas décrits en détail pour cette raison. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et représenté. Diverses modifications restent possibles notamment du point de vue de la constitution des éléments sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. -REVENDICATiONs- 10- Procédé pour rendre linéaires les signaux dérivés d'un détecteur photo-électrique du type destiné à indiquer la position d'un spot éclairé sur une plaque semi-conductrice incorporée dans le photo-détecteur, les signaux étant formés en divisant un courant latéral engendré par l'énergie lumineuse dans la plaque emiconductrice, au moyen d'une couche à résistivité placée sur une face de la plaque, et en dirigeant ces courants sur deux paires d'électrodes allongées disposées opposées l'une à l'autre dans un carré, les courants étant ensuite dirigés, à partir de ces électrodes, à travers des moyens de mesure de courant ou de voltage, en retour vers la plaque semi-conductrice, au moyen d'une cinquième électrode, de préférence transparente, recouvrant la face de la plaque semi-conductrice qui est opposée à la couche à résistivité, la différence entre les courants ou voltages mesurés des deux électrodes de chaque paire étant formée pour constituer les signaux de sortie, cette différence constituant une mesure de la position du spot lumineux le long d'axes perpendiculaires aux électrodes respectives - procédé caractérisé en ce qu'on divise chaque courant ou voltage différentiel correspondant respectivement à l'une des paires d'électrodes par la somme des courants ou voltages par lesquels est formée la différence, le quotient résultant constituant le signal de sortie rendu linéaire. 2.- Dispositif pour l'application du procédé conforme à la revendication 1, caractérisé par des éléments de dérivation de courants différentiels, dirigés vers des paires d'électrodes, des moyens de mesure de ces courants, des moyen pour former la différence de ces courants et des moyens pour diviser chacun des courants par la somme de ces courants formant la différence, le quotient constituant le signal de sortie rendu linéaire.