Brevet FR2402880A1 — publié le 19790406

B'invention concerne un localisateur d'impact de particules vi comportant un substrat semi-conducteur. Elle concerne aussi les tubes électroniques dans lesquels peut être incorporé ce localisateur pour l1obtention dtune image formée à l'entrée du tube par un Blus incident, de particules ou de rayonnements. Sorsqutune particule ou un groupe de particules chargées, des électrons notamment, pénètrent dans la zone de charge d'espace d'une diode semi-conductrice polarisée en inverse, l'apport dténergie de ces particules libère dans la diode un certain nombre de paires éleçtrons-trous qui se déplacent dans le champ régnant dans cette zone vers les contacts de la diode. Un courant correspondant prend naissance dans les connexions de 12. diode qui constitue le signal correspondant à 11 énergie incidente. On a utilisé dans l'art antérieur ce genre d'élément pour mesurer cette énergie et aussi pour localiser le point d'impact sur la diode des particules incidentes. Une telle localisation est possible en utilisant une diode comportant une électrode résistive sur laquelle sont appliqués des contacts : le courant recueilli sur ceux-ci dépend de la position du point d'impact par rapport à chacun d'eux, et l'on conçoit que l'on puisse, en choisissant la disposition géométriyue de ces contacts sur l'électrode, arriver à définir la position du point d'impact de la particule incidente. Quant à la valeur de l'énergie incidente elle est en raison directe du nombre de paire d'électrons-trous créées et du courant recueilli, l'énergie nécessaire à la création d'une paire variant d'ailleurs d'un matériau à l'autre ; elle est par exemple de 3,5 électron-volts dans le silicium. Cette utilisation s'est faite de diverses manies dans l'art antérieur, que l'on peut classer en deux groupes. Celui des dispositifs à une seule face active et celui ou les deux faces du substrat#semi-conducteur, au contraire, participent à la localisation en question. Parmi ces derniers on citera la réalisation décrite par Eerninger dans la demande de brevet français portant le No 74.37681 au nom de General Electric Company auquel le lecteur est prié de se reporter. I Deux couches résistives recouvrent deux faces opposées d'un substrat parallélipipédique ; elles portent chacune deux contacts parallèles sur deux de leurs bords opposés, ceux de l'une étant perpendiculaires à ceux de l'autre, on définit ainsi un système de coordonnées à quatre éléments de référence qui devrait permettre une bonne précision de localisation. En réalité avec le dispositif décrit par Berninger on se heurte à une difficulté d'ordre technologique. les électrodes résistives en question sont en effet réalisées, suivant la technique connue en cette matière, par implantation ionique dans le substrat, celui-ci occupant la position de cible dans un implanteur, comportant une source d'ions, à cathode creuse par exemple, et des moyens spectrométriques de tri, pour choisir l'ion implanté, du bore sur l'une des faces par exemple et du phosphore sur l'autre Chacune de ces implantations doit autre assortie d'un contr#e rigoureux des épaisseurs et de la nature de l'ion implanté. Elle est généralement suivie d'un recuit de stabilisation qui a lieu après 11 implantation des deux couches et modifie à la fois l'une et l'autre. La conséquence est que le résultat final est aléatoire et ne correspond pas toujours aux bonnes caractéristiques de résistance recherchées pour l'une et l'autre électrodes. Voir aussi l'article de W. H. Bernnnger "Pulsed Optical and Electron Beam Excitation of Silicon Position Sensitive Detectors" General Electric Research and Development Venter, Schenectady N. Y. 12301. En dispositif du premier groupe est décrit par Michael tampton et al dans l'article intitulé 'tEhe Ranicon : A Resistive Anode Image Converter" paru dans "Review 0f Sci. Instrum., Vol 45, No 9, September 1974, pages 1098 1105", ainsi que par H.J. Woltring dans "IEEE Transactions on Electron Devices, Muguet 1975" pages 581-590 dans un article intitulé single - and Dual - Axis Lateral Photodetectors of Rectangular Shapefl Un exemple a quatre contacts rectangulaires occupant les milieux des cotés de la couche résistive est donné dans ce dernier article, ainsi que le schéma des circuits associés a ces points et une méthode de calcul de la position de l'impact, développée par d'autres auteurs dont ceux cités sous la référence (10). la disposition à quatre contacts, ou collecteurs, est une disposition courante dans les localisateurs de ce dernier type, la place de ces collecteurs pouvant d'ailleurs varier suivant les exemples (aux quatre coins de la couche résistive dans le Ranicon) la détermination des coordonnées du point d'impact se fait à partir des courants il, i22 i3 et i4 recueillis par ces quatre collecteurs par un calcul utilisant les rapports de la différence des courants de chaque couple de collecteurs opposés, à leur somme par exemple. les localisateurs de ce dernier type, bien que de réalisation plus aisée que ceux du type précédent, du fait que le contr8le de la résistivité en cours de préparation, qui ne porte que sur une seule couche, échappe ainsi à la difficulté signalée plus haut dans le cas de deux couches, présentent néanmoins l'inconvénient d'une localisation moins bonne de l'impact qu'avec les dispositifs à deux électrodes résistives; #On observe une distorsion en coussin de l'image, quelle que soit la disposition des collecteurs utilisée. l'invention a pour objet, notamment, d'éviter, ou de réduire tout au moins sensiblement cette distorsion, dans le cas d'un dispositif localisateur à une seule électrode résistive. A cette fin, elle prévoit des collecteurs en plusieurs portions, dans les conditions qui seront précisées ci-dessous. 'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures qui y sont jointes et qui représentent - la figure 1, une vue schématique en coupe d'un localisateur à semi-conducteur à une électrode résistive de l'art antérieur - la figure 2, une vue en plan d'un exemple de réalisation de localisateur du type de celui de la figure 1 la figure 3, une vue en plan, analogue à la précédente montrant l'invention - les figures 4, 5 et 7s des vues analogues de variantes de réalisation de l'invention - la figure 6, un graphique concernant l'une des variantes précédentes - la figure 8, une vue schématique d'un tube à image utilisant un localisateur de l'invention La figure 1, sur laquelle pour la clarté, de même que sur les -t vues des figures suivantes, les proportions des différents éléments n'vont pas été respectées, montre en coupe une diode à l'état solide faite en implantant une couche résistive 3 de type p sur l'une des faces d'un substrat 4 de type n ; dans l'exemple le substrat a la forme d'ue parallélépipède droit mince, la figure représentant la coupe de ce parallélépipède par un plan parallèle à deux de ses petites faces. le repère 1 désigne une électrode de contact appliquée sur la face opposée du substrat, et les repères 21 et 22 deux collecteurs parallèles en forme de barrettes bordant la couche 3 sur deux de ses c8tés. Une source 6 assure, en fonctionnement la polarisation en inverse de la diode.Lorsqu'unie particule chargée se dirigeant suivant la flèche 5 atteint la face inférieure de la diode, elle engendre dans la diode des paires électrons-trous de déplaçant dans la zone de charge d'espace de celle-ci polarisée en inverse, comme indique. le courant correspondant se répartit- en deux courants partiels il et i2 circulant dans les connexions 31 et 32 des collecteurs 21 et 22, cette répartition dépendant de la position de l'impact de la particule par rapport aux collecteurs 21 et 22. On obtient ainsi une localisation de Irimpact ; celle-ci est améliorée par lteeploi de collecteurs supplémentaires comme dans le cas d'un autre exemple qui sera décrit. Pour améliorer cette localisation, toutes choses égales par ailleurs, le substrat est choisi à faible taux d'impureté et aussi mince que possible ; ces deux conditions favorisent l'extension de la zone de charge d'espace, toutes choses égales par ailleurs, entre les deux faces opposées et par voie de conséquence la qualité de la localisation. la figure~2 montre, vue en plan, une diode du m8me type que celle de la figure 1 utilisée à la localisation de particules incidentes tombant sur la face représentée sur la figure, qui est celle recouverte de l'électrode résistive 3 portant les collecteurs. Ces collecteurs sont dans l'exemple de la figure au nombre de quatre ; ils ont la forme de plots ronds et sont disposés à angle droit sur les axes cx et oy, un peu en dehors de la zone du cristal atteinte par les particules incidentes, limitée au cercle en trait interrompu ils portent les repères 41 à 44 et leurs connexions les repères 51 à 54. les quatre courants recueillis sur ces collecteurs sont utilisés pour la détermination de la position du point d'impact des particules par rapport aux axes ox et oy.Ces figures se rapportent à l'art antérieur Selon l'invention, chacun des collecteurs est divisé en deux ou plusieurs portions c1est ce qui est montré sur un exemple (figure 3) pris pour illustrer le principe du morcellement des collecteurs selon l'invention. Cette vue, ou l'ensemble du localisateur est désigné par le repère 10, est une vue en plan analogue à celle de la figure 2, montrant l'électrode 3. Cette figure montre une structure et une disposition des collecteurs des dispositifs localisateurs à semi-conducteur à une seule électrode résistive de l'invention.En fonctionnementx toutes les portions de tous ces collecteurs sont portées au mEme potentiel, par une source montée comme l'indique la figure 1. D'une façon générale il est possible de procéder, grtce à la division du collecteur en parties, à une pondération des signaux entre ces différentes parties ; la valeur pondérée obtenue est utilisée pour le calcul de la position du point d'impact Selon l'invention, on dispose en quelque sorte ainsi pour chaque point de collection d'un montage potentiométrique permettant d'agir, å la fabrication, sur la distorsion de l'image. Enfin cette disposition peut conduire à négliger volontairement les courants reçus par certaines parties du collecteur pour améliorer la linéarité. Dans l'exemple de la figure 3, chacun de ces collecteurs est constitué de trois parties, dont deux principales en lesquelles est dédoublé chacun des collecteurs du dispositif de l'art connu, 61 et 62 pour le collecteur supérieur, et une auxiliaire, 72 sur le dessin. Chacune de ces parties est munie d'une connexion sur laquelle est recueilli un courant au moment de l'impact d'une particule x~cidenteO Ces connexions portent les repères 81, 82 et 92 pour le collecteur supérieur. les autres éléments sont numérotés à la suite, comme indiqué sur le dessin les courants (flèches) désignés par les lettres i, 3 et g affectées d'un indice sont utilisés dans les conditions qui seront précisées pour déterminer la position et l'énergie de la particule incidente Cette division du plot collecteur en plusieurs parties permet de prélever plusieurs signaux pour chaque point de collection, correspondant chacun au filet de courant atteignant la partie du plot sur lequel est prélevé le signal.Cette division permet, toutes choses égales, d'ajuster le signal correspondant à l'impact de la particule prélevé en un point de collection donné et permet de s'opposer aux défauts de linéarité. Chacun de ces courants dépend entre autres de la surface de contact de chacune des parties du plot collecteur avec la couche résistive. Dans l'exemple de la figure, les parties principales des plots telles que 61-62, 63-64, etc. sont reliées entre elles et les courants qui les parcourent concourent à donner les signaux 5i2 s2, 532 s4 utilisés dans le calcul de la position de l'impact et de l'énergie de la particule ; par contre les courants g des plots auxiliaires portés, en fonctionnement, au même potentiel que les plots principaux, ne sont pas utilisés pour le calcul de la position mais seulement pour celui de l'énergie de la particule. le repère 3 désigne sur cette figure, comme stir la figure 2, la couche résistive. la disposition ci-dessus est susceptible de variantes ; dans un exemple représenté sur la figure 4 le collecteur comportait trois parties, consistant en un gros plot et deux plots plus petits. Ces trois parties consistaient en un plot rond de 4 millimètres de diamètre et deux plots, ronds également, de 1 millimètre de diamètre, ayant leur centre sur un mesme cercle dont le centre était le centre O du champ ; les gros plots étaient au nombre de quatre et occupaient les quatre sommets d'un carré, les petits plots étant disposés symetriquement par rapport aux gros plots à environ 300. Une fraction seulement des courants recueillis sur les petits plots était utilisée au calcul de la position de l'impact, avec la totalité du courant recueilli sur les gros plots.Ces plots portent les repères 101, 102 et 103 à la partie supérieure de la figure. Dans une autre disposition représentée sur la figure 5, le substrat avait la forme d'une plaquette ronde de silicium de 50 millimètres de diamètre et de 5/10 de millimètre d'épaisseur environ, présentant le type n. la couche résistive était formée sur l'une des faces de la plaquette par implantation d'ions bore à raison de 5 x 1013 par centimètre carré. le substrat en question présentait une résistivité de 20 k Q x cm ; quant à la couche elle avait une résistance de 10 k Q au carré environ. lé champ d'impact des particules couvrait la partie centrale du substrat à l'intérieur d'un cercle de 22 mm de diamètre.Autour étaient disposés,#121-1242 quatre plots ronds de 1 mm de diamètre en aluminium appliqués sur la couche résistive et occupant les sommets d'un carré de 32 mm de diagonale ; huit autres plots 131 à'138,-en aluminium et ronds aussi, de 4 mm de diamètre étaient disposés par paires autour des petits plots, comme le montre la figure, dans laquelle les cotes exactes n'ont pas été respectées ; les grands plots d'une même paire ont leurs centres distants de 18mm ; ils sont reliés entre eux comme dans le cas du dessin de la figure 3, chaque paire concourant à un seul signal. Tous les plots sont reliés au pôle de la source montée entre les faces de la diode mais seuls les signaux des plots de grande taille sont utilisés à la localisation. Dans ces conditions l'on obtient une réduction de la distorsion observée dans les dispositifs de-l'art antérieur. la figure 6 montre cette amélioration ; cette figure donne en ordonnée l'abscisse xr relevée en fonction de# l'abscisse réelle x, pour un dispositif de l'art antérieur- comportant uniquement 4 gros plots et pour celui de la figure 5. Dans chacun des cas, on a relevé des points pour différentes droites parallèles à l'axe ox de cotes y = o, y = 5 et y = 7,5 mm.On a figuré les résultats de l'art antérieur et ceux de l'invention ; pour ces derniers les cotes sont soulígnées. Il en ressort deux faits, à savoir, d'abord, que la linéarité de la correspondance x relevé, x réel est meilleure dans le cas de l'invention, et ensuite que les résultats pour les différentes valeurs de y sont beaucoup mieux groupés dans les dispositifs de l'invention que dans ceux de était antérieur;on constate aussi que la linéarité s'altère au- fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre de la plaquettes dans les deux cas. On remarquera que si, ni dans l'un ni dans l'autre cas, les points ne s'alignent autour de la première bisectrice, des axes de coordonnées de la figure-6, c'est qu'en abscisse on a porté l'abscisse du point comptée en millimètres à partir du centre du champ de la plaquette, et en ordonnées une donnée électrique en rapport avec l'abscisse lue ou relevée. Dans un autre exemple de réalisation de l'invention représenté sur la figure 7, tous les plots repérés 140, 1417 142, ... de 4 mm ou 1 mm avaient leurs centres disposées à égal distance les uns des autres. Dans tous les exemples, l'ensemble des plots d'un même collec- teur présentait un axe de symétrie. On notera également que, dans les chaînes à image la distorsion du locaLisateur se superpose à celle du tube dans lequel il est incorporé et que c'est le meilleur. compromis entre ces deux distorsions qu'il s'agit d'atteindre. C'est sur l'ensemble des deux défauts qu'il faut agir à la fois Ci-dessus vont entre développées quelques considérations sur ses tubes qui sont également compris dans l'invention. Ces tubes comportent à l'une de leur extrémité un écran d'entrée exposé au flux incident, électromagnétique notamment2 qui convertit l'image incidente en une image électronique formée par les électrons issus d'une photocathode terminant l'écran d'entrée du côté tourné vers l'autre extrémité du tube. k cette dernière extrémité est situé le localisateur d'impacts qui joue le rôle d'écran de sortie du tube2 auquel se rapporte ce qui précède et dont les connexions traversent l'enveloppe à vide du tube ; ces connexions sont reliées au calculateur à l'aide duquel est déterminé la position de l'impact de la particule et son énergie dans les conditions connues de l'art et qui ne sont pas comprises dans l'objet de l'invention. En trait interrompu on a représenté sur la figure 8, qui est une vue schématique en coupe d'un tel tube, le faisceau d'électrons se dirigeant, en fonctionnement, du point de la photocathode correspondant au point d'impact du rayonnement incident sur l'écran d'entrée vers le localisateur. les moyens, non repré- sentés, sont prévue, dans les conditions connues de l'art, pour accélérer ce faisceau sur le localisateur et le focaliser sur son - trajet vers celui-ci. En général, vu les dimensions maximales des localisateurs que l'on sait réaliser, qui sont celles des cristaux semi-conducteurs les plus grands que l'on sache produire actuellement2 ltecran de sortie est beaucoup plus petit (12 å 15 fois en diamètre) que l'écran d'entrée, dont la forme est prévue concave afin de permettre plus aisément de#faire converger le faisceau d'électrons vers l'écran de sortie en question. C'est le cas qui a été représenté sur la figure 8.On notera cependant qu'il est toujours possible de faire des tubes avec localisateur comportant deux écrans, d'entrée et de sortie, de même taille, et de faire précéder, dans la channe à images, le tube en question d'un autre tube présentant lui un écran d'entrée plus grand. Un tel tube ou une telle chaîne de tubes est utilisé en médecine nucléaire pour l'observation, en rayonnement gamma notamment, de parties du corps humain Sur la figure 8 on a représenté schématiquement un tel tube, de révolution autour de l'axe X. l'enveloppe à vide du tube porte le repère 200.A gauche, à l'intérieur de cette enveloppe est disposé l'écran d'entrée représenté par trois éléments, à savoir7 à gauche le scintillateur 202, à droite la photocathode 204 et un support commun à l'un et à l'autre, 206 dont les épaisseurs sont figurées sans rapport avec leur valeur réelle ; de même on aa donné aucune indication sur la suspension de l'écran dans l'enveloppe# car ces questions connues de la technique sont en dehors de la portée de l'invention. T'écran dtentrée est exposé au rayonnement incident de l'objet à observer, un organe du corps humain par exemple, représenté par la flèche venant de la gauche.A l'autre extrémité est placé le localisateur 10, à l'intérieur de l'enveloppe, munie de passages 208 reliés aux connexions des électrodes du localisateur. Entre les deux, le pinceau d'électrons allant d'un peint de l'écran d'entrée à l'autre extrémité du tube, a été schématisé par les lignes en traits interrompus Dans ce qui précède, on a raisonné sur un substrat de type n et une couche résistive de type p. le m8me localisateur fonctionnerait aussi avec un substrat et une couche résistive de types inversés par rapport aux précédents, moyennant une inversion de la tension de polarisation fournie par la source 6 (figure 1). On notera enfin que les résistances élevées tant de la couche résistive que du substrat, 10 kn an carré et 20 k Q x cm dans l'exemple cité, évitent que le préasplificateur à forte #ensib-ilité (non représenté), associé selon l'art connu, au localisateur débite dans la couche un fort courant de bruit, très supérieur à son courant de bruit propre. Les valeurs citées sont couramment réalisées dans l'état actuel de la technique. REVENDICATIONS 1. Tocalisateur d'impact de particules, composé d'un substrat semi-conducteur rev8tu sur l'une de ses faces d'une couche conductrice de l'électricité résistive, des moyens étant associés audit localisateur pour appliquer en fonctionnement une différence de potentiel entre ladite face et une face opposée à celle-cS dudit semi-conducteur, ladite couche comportant en outre, en contact avec elle dm certais points, dee collecteurs recueillant le courant parcourant ladite couche lors de l'impact de particules sur ledit localisateur, les courants recueillis par ces collecteurs étant utilisés au calcul de la position dudit impact et à l'énergie desdites particules, caractérisé en ce que lesdits collecteurs sont divisés chacun en plusieurs parties et en ce que le signal utilisé audit calcul de ladite position est une combinaison des courants recueillis par lesdites parties. 2. Localisateur d'impact de particules suivant la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits collecteurs sont appliqués sur ladite couche en dehors du champ d'impact desdites particules sur celle-ciS limitée à un cercle, en ce qu'ils sont divisés chacun en trois plots ronds dont deux présentent la snême surface de contact avec ladite couche, plus grande que celle du troisième2 en ce que les plots de plus petite surface de contact sont disposés au sommet d'un carré, en ce que les deux autres plots sont disposés de part et d'autre du précédent, et en ce que le courant recueilli par les plots de plus petite surface n'est pas utilisé dans le calcul de la position dudit impact. 3. localisateur d'impact de particules suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits collecteurs sont appliqués sur ladite couche en dehors du champ d'impact desdites particules sur celle-ci, limitée à un cercle, en ce qu'ils sont divisés chacun en trois 1310t5 ronds dont deux présentent une surface de contact avec ladite couche quatre fois plus grande que le troisième, en ce que les plots de plus petite surface de contact sont disposés an sommet d'un carré, en ce que lesdits autres plots sont disposes de part et d'autre de ce dernier à environ 300 > et en ce que le courant des plots de petite surface de contact n'est utilisé que pour le tiers de sa valeur dans le calcul de la position dudit impact. 4. Tube à image comprenant un écran d'entrée soumis à un flux incident et composé d'un ensemble comprenant un scintillateur et une photocathode, ledit ensemble fournissant en réponse audit flux incident, un flux d'électrons émanant, en fonctionnement2 de ladite photocathode, des moyens étant associés au tube pour focaliser le pinceau d'électrons émis par chaque point de ladite photocathode vers un second écran, dit écran de sortie du tube, caractérisé en ce que ledit écran de sortie comporte un localisateur suivant la re#endication 1.