Brevet FR2269197A1 — publié le 19751121

La présente invention concerne un détecteur, destiné a la mesure de flux de rayonnement ionisant de haute énergie, et compor tant au moins un corps semiconducteur monocristallin présentant une région de type intrinsèque compensée comprise entre deux régions de type de conductivité opposés P et N, et un dispositif convertisseur de rayonnement électromagnétique en rayonnement de particules. Les diodes comportant une région compensée entre une région de conductivité P et une région de conductivité N, dites diodes à structure P I N, peuvent etre utilisées pour la mesure d'intensité de flux de rayonnement ionisant de très haute énergie. Par rayonnement de très haute énergie, il faut entendre des rayonnements 6 d'énergie supérieure à 2 . 106 électron-volt, susceptibles de pro- voquer surtout, par interaction avec la matière, effet de matérialisation de paires électron-positon. Une telle diode de mesure de flux est polarisée sous tension élevée, par exemple 1000 Volts, pour permettre la collection des charges créées par irradiation et et la diode débite, dans une résistance de valeur déterminée, un courant que l'on mesure.Les principales qualités que doivent posséder ces diodes sont la sensibilité, la linéarité et la rapidité (temps de montée et de descente dtune impulsion). La sensibilité est proportionnelle au volume utile de la diode qui est le volume de la région désertée, pratiquement égale au volume de la région intrinsèque dans une diode à structure P I N convenablement polarisée. Le volume utile est limité dans le sens de ltépaisseur. En effet, d'une part, une épaisseur plus grande entraîne la nécessité d'une tension de polarisation plus élevée et cette dernière est limitée par le risque de claquage de la diode, d'autre part, la tension de désertion doit être assez faible pour que la plage de tension disponible entre la tension de polarisation et la tension de désertion soit assez grande. La surface utile de la diode est également limitée par ltencombrement admissible, par les-difficultes technologiques de réalisation, par l'aggravation des risques d' hétérogénéité et de défaut de linéarité. La plage de linéarité, ou de proportionnalité du courant mesuré à la valeur du flux incident, lorsque la diode débite dans une résistance de charge de valeur déterminée, dépend de plusieurs facteurs. On constate que ces facteurs tendent à faire diminuer la linéarité des diodes de type connu lorsquton cherche à augmenter la sensibilité. De même on a cherché à associer plusieurs détecteurs pour obtenir de meilleures caractéristiques; si les diodes sont en série, on améliore la linéarité, mais la sensibilité est celle du détecteur unique; de plus le temps de descente d'une impulsion augmente avec le produit RC (résistance x capacité) qui croit avec le nombre de diodes en parallèle. En outre, les diodes n'étant pas en pratique rigoureusement identiques, il y a des difficultés à les associer en série et aussi en parallèle. On sait par ailleurs que pour obtenir un équilibre électronique dans le volume utile de la diode détectrice, on prévoit sur le trajet du rayonnement incident un convertisseur, transformant les radiations électromagnétiques, y ou X, en rayonnement d'électrons, ltépaisseur du convertisseur étant suffisante pour que en chaque point du volume utile de la diode, il y ait équilibr#e entre les créations et les recombinaisons de paires électrons-trous, et que la création de paires se fasse de façon uniforme dans tout le volume utile. La présente invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients et de fournir un détecteur semiconducteur adapté à la mesure de flux de rayonnements ionisants à très haute énergie et dont la sensibilité soit améliorée par rapport aux détecteurs connus. Selon l'invention un détecteur, destiné à la mesure de flux de rayonnement ionisant, de très haute énergie, comportant au moins un corps semiconducteur monocristallin présentant une région intrinsèque de type compensée comprise entre deux régions de types de conductivités opposés P et N, et un dispositif convertisseur de rayonnement électromagnétique en rayonnement de particules, est remarquable principalement en ce que ledit corps comprend deux parties planes parallèles reliées par une troisième partie formant un ensemble dont la section est en forme de U, les faces internes du U étant d'un premier type de conductivité et les faces externes du type de conductivité opposé, une plaquette d'un matériau semiconducteur de faible résistivité occupant la totalité de ltespace compris entre les faces internes du U et étant en bon contact électrique avec ces dernières, et des plaquettes d'un matériau semiconducteur de faible résistivité étant planes au moins sur les deux faces parallèles externes du U en bon contact électrique avec ces dernières. Dans le dispositif selon l'invention, les convertisseurs sont constitués par les plaquettes de matériau semiconducteur de faible résistivité qui sont placé#s de façon4 assurer l'équilibre électronique dans les différentes parties du corps de détecteur, dans le sens longitudinal (direction du rayonnement incident) et aussi compte tenu de la rétrodiffusion. Pour une même surface offerte au flux incident, le volume de la diode du dispositif selon 11 invention est plus que le double du volume d'une diode classique en forme de plaquette simple. On obtint de ce fait une sensibilité au moins doublée, avec un encombrement sensiblement identique et sans nécessité d'augmentation de la tension de polarisation. La linéarité du dispositif est au moins équivalente a# celle des diodes de type connu. Des diodes selon l'invention peuvent aisément être associées soit en série, soit en parallèle, soit en série-parallèle. Lorsque plusieurs de ces diodes sont couplées en parallèle, la sensibilité est améliorée dans un rapport égal au noitre de diodes associées et lorsque plusieurs de ces diodes sont couplées en série, la linéarité et les temps de descente de ltimpulsion sont améliorés dans le rapport égal au nombre de diodes associées. Ce temps est en effet fonction produit de la résistance du circuit de mesure par la capacité de ce circuit et la mise en série de plusieurs diodes entraîne une diminution de ce produit, pratiquement dans le rapport égal au nombre de diodes mises en série. Dans une forme de réalisation préférentielle, les plaquettes constituant les convertisseurs sont réalisées dans le même matériau de base que la diode PIN mais avec une très faible résistivité et leur épaisseur est supérieure au parcours moyen des électrons dans ce matériau. En particulier, la diode du dispositif, en forme de U, est en silicium, de type N sur ses faces extérieures, de type P sur ses faces internes, les plaquettes sont ensiliciwn monocristallin ou polycristallin de résistivité de l'ordre de lO 2 à Q cm. La diode du dispositif, en forme de U, doit avoir une épaisseur qui satisfasse, comme dans les diodes simples de type classique, aux conditions dites de Bragg-Gray qui sont, d'une part assurer dans le volume utile de la di#ode, outre l'équilibre électronique, l'absence de réaction d'annihilation de paires, d'autre part éviter la création de paires par le rayonnement secondaire issu des interactions du rayonnement incident, et rendre minimale l'énergie perdue par ce rayonnement dans son trajet à travers l'épaisseur de la diode. Ainsi l'épaisseur de la diode doit être faible par rapport au parcours moyen des électrons secondaires, alors que l'épaisseur d'un convertisseur doit être supérieure à ce parcours moyen.Par exemple, les parties planes parallèles d'une diode selon l'invention, en silicium ont une épaisseur de l'ordre de 250 micromètres, les plaquettes faisant office de convertisseur pour assurer l'équilibre électronique ayant une épaisseur de 1 mm. Avantageusement, la face externe de la troisième partie du corps du dispositif est recouverte d'une plaquette de matériau semiconducteur de faible résistivité, en bon contact électrique avec la face externe de ladite partie. Cette plaquette fait office de convertisseur et assure l'équilibre électronique dans le sens transversal (direction perpendiculaire à la direction du rayonnement incident). De même il est avantageux de prévoir, dans toutes les directions possibles de rayonnement incident, une épaisseur de matériau semiconducteur suffisante pour assurer la conversion du rayonnement électromagnétique en rayonnement de particules et un équilibre électronique, avant pénétration dans la diode proprement dite. Ces convertisseurs sont électriquement reliés à la face externe de de la diode et électriquement isolés de la face interne. Les plaquettes faisant office de convertisseurs sont en bon contact électrique avec les régions correspondantes de la diode. Dans le cas de plaquettes et de diodes en silicium, la liaison électrique peut être réalisée par collage à l'aide d'une pâte conductrice, par exemple au moyen d'une résine époxy chargée à l'argent, les surfaces des plaquettes et des faces concernées des diodes étant au préalable recouvertes d'une couche épaisse de nickel électro- chimique. Il va de soi que les différentes régions de la diode peuvent être obtenues par les techniques classiques de croissance cristalline, de diffusion et d'entraînement d'élément dopant. De#préfé- rence, la technique dite de double diffusion est appliquée : une diffusion donnant le type PS sur une face, une diffusion donnant le type N sur la face opposée. On obtient ainsi un champ électrique pratiquement constant dans la zone intrinsèque, une zone morte de faible épaisseur et un temps de réponse également très faible La forme en U du dispositif# selon l'invention peut être obtenue de différentes façons.Par exemple une plaquette- plane d'épaisseur suffisante, de forme circulaire ou polygonale est troneonnee au moyen d'un disque d'épaisseur égalera celle du convertisseur qui doit être placé entre les faces internes du U, mais le trontonnage est interrompu avant séparation des deux parties planes parallèles.Les diffusions sont effectuées ensuite Compte tenu de la forte intensité des courants que permet d'obtenir le détecteur selon l'invention, de l'ordre de 10 à 50 ampères dans une résistance de charge de 50 Q , les mesures sont effectuées par impulsions, la durée de l'irradiation pour chaque impulsion est de l'ordre de 100 à 200 nus par exemple, le temps de montée et le temps de descente de l'impulsion de courantétant de tordre de 2 ns. L'invention est applicable à la mesure de flux de forte intensité de rayonnement ionisant de très haute énergie, notamment d'énergie supérieure à 10 Mev, par mesure directe des courants de porteurs créés. La description qui va suivre en regard des dessins annexés fera bien comprendre comment-- l'invention peut être réalisée. Sur ces dessins les dimensions réelles des dispositifs et les prôpor tions entre ces dimensions ne sont pas respectées, afin d'assurer une meilleure compréhension des structures décrites. La figure l est une coupe schématique d'un dispositif selon l'invention. sont Les figures 2 et 3/des vues en perspective de diodes de dispositifs selon l'invention. La figure 4 est une coupe schématique d'une association de plusieurs diodes en parallèle. La figure~5 est une coupe schématique d'une association de plusieurs diodes en série. Sur la figure 1, on voit que le dispositif comprend un corps l en forme de U. La figure est une coupe et les deux# branches du U peuvent avoir, dans les plans perpendiculaires à la figure, une surface de forme quelconque. Par exemple le corps 1 est de forme circulaire comme montré sur la figure 2, ou bien le corps 1 est parallélépipédique comme montré sur la figure 3. Le corps 1 comme porte trois régions, les régions 2, 3 et 4 respectivement de type de conductivité N, de type intrinsèque par compensation et de type de conductivité P. Ces trois régions se retrouvent aussi bien dans les deux parties planes parallèles que dans la troisième partie reliant les deux autres, ces trois régions ont ainsi chacune la forme d'un U.Les deux faces externes du corps reçoivent chacune une plaquette faisant office de convertisseur, respectivement 5 et 6, et le contact électrique entre le convertisseur et la face du corps qu'il recouvre est obtenu au moyen d'un matérieu thermoplastique conducteur 7. Entre les deux faces internes du corps 1, on voit une plaquette 8 faisant également office de convertisseur. La plaquette 8 est en bon contact électrique avec les faces internes du corps. Un matériau conducteur, thermoplastique, est- au besoin interposé pour améliorer ce contact. L'épaisseur des branches du U est très faible, la distance entre ces branches est fonction des caractéristiques électroniques des matériaux. L'espacement 9 entre les deux branches du U peut être obtenu par sciage à partir d'une plaque de structure parallélépipédique selon la figure 3, ou de structure circulaire selon la figure 2. Sur la coupe schématique de la figure 4 sont figurées trois diodes PIN, de structure identique à la diode de la figure 1, mises en parallèle : les convertisseurs 18 en contact avec les faces internes sont tous reliés à un premier conducteur 19, les convertisseurs 15 en contact avec les faces externes sont en contact entre eux et reliés à un second conducteur 17. Les faces externes des diodes sont également reliées, toutes les liaisons électriques étant réalisées au moyen d'un matériau conducteur interposé entre les faces en regard. Selon une variante du montage de la figure 4, des convertisseurs semblables aux convertisseurs 15 sont interposés entre les différentes diodes et électriquement reliés au conducteur 17. Une plaque 16 de matériau identique à celui des convertisseurs 15 et 18 est appliquée sur la face externe de la partie de chaque diode reliant les deux parties planes parallèles. Sur la coupe schématique de la figure 5 sont figurées trois diodes PIN, de structure identique à la diode de la figure 1, mises en série : les convertisseurs 28 en contact avec les faces internes sont reliés électriquement, chacun à une face externe de la diode suivante, les diodes étant extérieurement isolées les unes des autres au moyen de plaquettes isolantes 27. - REVENDICATIONS 1.- Détecteur, destiné à la mesure de flux de rayonnement ionisant, de très haute énergie, comportant au moins un corps semiconducteur monocristallin présentant une région intrinsèque de type compensée comprise entre deux régions de types de conductivités opposés P et N, et un dispositif convertisseur de rayonnement électromagnétique en rayonnement de particules, caractérisé en ce que ledit corps comprend deux parties planes parallèles reliées par une troisième partie formant un ensemble dont la section est en forme de U, les faces internes du U étant d'un premier type de conductivité et les faces externes du type de conductivité opposé, une plaquette d'un matériau semiconducteur de faible résistivité occupant la totalité de l'espace compris entre les faces internes du U et étant en bon contact électrique avec ces dernières, et des plaquettes d'un matériau semiconducteur de faible résistivité étant placées au moins sur les deux faces parallèles externes du U en-bon contact électrique avec ces dernières. 2.- Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaquettes constituant les convertisseurs sont réalisées dans le même matériau que le corps, ont une faible résistivité et leur épaisseur est supérieure au parcours moyen des électrons dans ce matériau, les parties planes dudit corps ayant une épaisseur inférieure à ce parcours moyen. 3.- Détecteur selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la face externe de la troisième partie du corps du dispositif est recouverte d'une plaquette de matériau semiconducteur de faible résistivité, en bon contact électrique avec la face externe de ladite partie. 4.- Détecteur selon l'une des revendications i à 3 caractérisé en ce que le corps est en silicium, de type N sur ses faces exté- rieures, de type P sur ses faces internes, les plaquettes en contact avec les faces étant en silicium de résistivité de l'or- dre de 10 2 à 10## 3 Q cm. 5.- Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la liaison électrique entre corps et plaquettes est réalisée par collage au moyen d'une résine époxy chargée à l'argent les surfaces des plaquettes et des faces concernées des diodes étant recouvertes d'une couche de nickel électro-chimique. 6.- Procédé de réalisation d'un détecteur conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une plaquette plane d'épaisseur suffisante est tronçonnée au moyen d'un disque d'épaisseur égale à celle du convertisseur qui doit être placé entre les faces internes du U, le tronçonnage étant interrompu avant#sépara- tion des deux parties planes parallèles et des diffusions étant effectuées ensuite.