Brevet FR2493046A1 — publié le 19820430

Convertisseur de rayonnement électromagné- tique en signal électrique. L'invention concerne les dispositifs à semi-con- ducteurs, et plus précisément les convertisseurs d'un rayonnement électromagnétique en un signal électrique. La présente invention peut être appliquée avec succès dans différents domaines de l'optique électro- nique, par exemple pour transformer des images optiques en un signal électrique. Dans les domaines les plus divers de la science et de la technique, on ressent actuellement un besoin de plus en plus accru en systèmes de traitement des signaux optiques. Un élément très important de pareils systèmes est le convertisseur de rayonnement électro- magnétique en signal électrique. L'application des convertisseurs à circuit solide rend ces systèmes plus compacts, moins coûteux, et dans un bon nombre de cas, plus simples. On connait un convertisseur de rayonnement élec- tromagnétique en signal électrique (voir le brevet d'invention n0 4016586, cl. 357-2, 1977, des Etats-Unis) comprenant deux couches de semiconducteurs à largeurs différentes des zones interdites liées entre elles et constituant un contact d'arrêt pour les porteurs de charge d'un signe, et deux électrodes, l'une desquelles se situe du côté de la surface libre de la couche de semi-conducteur à zone interdite plus large, et l'autre du côté de la surface libre de la couche de semi-con- ducteur à zone interdite moins large. Cependant, dans ledit dispositif, même lorsque la structure du matériau à partir duquel on fait la couche de semi-conducteur à zone interdite plus large est susceptible encore de créer des centres de piégeage de porteurs de charge, le contact d'arrêt existe seulement pour l'un des deux types de porteurs de charge, cela amenant une injection aisée des porteurs de charge de l'autre type correspon- dant à l'enregistrement du noir de l'image dans la couche de semiconducteur à bande interdite plus large, et donc entraînant un nivellement du relief de poten- tiel surgissant au cours de la photo-injection, c'est- à-dire au cours de l'enregistrement d'une image, ce qui altère à son tour l'enregistrement de la structure spa- tiale d'un signal optique. L'invention vise à fournir un convertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique o la couche de semi-conducteur à bande interdite plus large serait fabriquée en un matériau assurant une qualité plus haute de l'enregistrement du signal opti- que et une sensibilité meilleure du convertisseur. Ce but est atteint grâce à un convertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique comprenant deux couches de semiconducteurs à largeurs différentes de bandes interdites réunies entre elles et formant un contact d'arrêt pour les porteurs de charge d'un signe, et deux électrodes, l'une desquelles se situe du côté de la surface libre de la couche de semi-conducteur à bande interdite plus large, et la deuxième du côté de la surface-libre de la couche de semi- conducteur à bande interdite moins large, ledit convertisseur étant, selon l'invention, caractérisé en ce que la couche de semi-conducteur à bande inter- dite plus large est fabriquée en un matériau ayant une structure capable d'assurer un contact d'arrêt aussi pour les porteurs de charge de l'autre signe. Il est avantageux que la structure du matériau formant la couche de semiconducteur à bande interdite plus large présente, outre sa capacité d'assurer un contact d'arrêt pour les porteurs de charge des deux signes, une capacité supplémentaire de créer des cen- tres de piégeage de porteurs de charge. Il est désirable qu'en tant que matériau ayant sa structure susceptible d'assurer le contact d'arrêt pour les porteurs de charge des deux signes et de créer les centres de piégeage de porteurs de charge, soit appliqué le séléniure de zinc compensé à un degré de compensation voisin de 100 %. Il est utile que la concentration des centres de piégeage de porteurs de charge dans le matériau formant la couche de semi-conducteur à bande interdite plus il -2 large soit au plus de 10 cm Il est aussi utile que la couche de semi-conduc- teur à bande interdite plus large soit au moins de 5 pm d'épaisseur. Il est aussi utile que le convertisseur comporte au moins une couche diélectrique principale reliée à la couche de semi-conducteur à bande interdite plus large. Il est parfois utile que la couche diélectrique principale soit encore reliée à la couche de semi- conducteur à bande interdite moins large. Il est avantageux que le convertisseur comporte au moins une couche diélectrique auxiliaire entre l'é- lectrode et la surface libre de la couche de semi-con- ducteur à bande interdite plus large. Il est aussi désirable que les couches diélectri- ques principale et auxiliaire soient de 50 à 10000 A d'épaisseur. Il est avantageux au point de vue de la technolo- gie que l'électrode se trouvant du côté de la surface libre de la couche de semi-conducteur à bande inter- dite plus large soit réalisée sous forme ponctuelle et puisse être déplacée. Il est possible en tant qu'électrode ponctuelle d'utiliser une sonde à mercure. La présente invention permet de transformer la structure spatiale d'un signal optique en un relief potentiel net, cela améliorant sensiblement la qualité d'enregistrement d'une image optique. La présente invention sera expliquée dans une description qui va suivre de sa mise en oeuvre concrè- te, en se référant aux dessins dans lesquels: - la figure 1 est le schéma fonctionnel d'un convertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique avec la structure représentée d'une façon conventionnelle du matériau de la couche de semi-conducteur à bande interdite plus large, selon l'invention: - la figure 2 est le diagramme de bandes énergé- tiques conformément à la figure 1, selon l'invention: - la figure 3 est le schéma fonctionnel du con- vertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique conformément à la figure 1, comportant une seule couche diélectrique sur la surface libre de la couche de semi-conducteur à bande interdite plus large, selon l'invention; - la figure 4 est le schéma fonctionnel du con- vertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique conformément à la figure 1, comportant une seule couche diélectrique entre les couches de semi- conducteurs, selon l'invention; - la figure 5 est le schéma fonctionnel du con- vertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique de la figure 1, comportant deux couches diélectriques, selon l'invention; - la figure 6 est le schéma fonctionnel du con- vertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique de la figure 1, comportant une sonde à mer- cure, selon l'invention; - la figure 7 est le diagramme de bandes énergé- tiques du convertisseur de la figure 2, selon l'inven- tion; - la figure 8 est le diagramme de bandes énergé- tiques du convertisseur de la figure 3, selon l'inven- tion; 24-93046 - la figure 9 est le diagramme de bandes énergé- tiques du convertisseur de la figure 4, selon l'inven- tion. Le convertisseur du rayonnement électromagnétique en signal électrique comprend une couche 1 (figure 1) de semi-conducteur à bande interdite plus large 2 (il- lustrée à la figure présentant le diagramme de bandes énergétiques) et ayant son épaisseur inférieure à pm, fabriquée à partir du séléniure de zinc compensé à un degré de compensation voisin de 100 %, et une couche 3 (figure 1) de semi-conducteur à bande inter- dite 4 moins large (figure 2). La structure du matériau capable d'assurer un contact d'arrêt pour les porteurs de charge des deux signes et de créer des centres de piégeage de porteurs de charge est représentée d'une façon conventionnelle par des nombres à peu près égaux de donneurs chargés positivement 5 (figures 1, 2) et d'accepteurs chargés négativement 6 (plus loin les cen- tres de piégeage 5, 6 de porteurs de charge), lesquels constituent des contacts d'arrêt pour les porteurs de charge des deux signes et sont susceptibles de piéger respectivement un électron 7 et un trou 8. Du côté de la surface libre de la couche 1 est située une élec- trode transparente 9 (figure 1), laquelle est en con- tact non ohmique avec le matériau de la couche de semi- conducteur 1, et du côté de la couche 3, une électrode , laquelle est en contact ohmique avec le matériau de la couche 3. En série avec le convertisseur sont placées une source de tension de polarisation 11 et une charge 12 pour prélever le signal vidéo sur la sortie 13 au cours de la lecture du rayonnement-électromagnétique enregistré 14 (plus loin "signal optique" 14) arrivant à l'électrode 9. En outre, la figure 2 représente des bandes de valence 15, 16 et des bandes de conduction 17, 18 res- pectivement des couches 1, 3 (figure 1), et des niveaux de Fermi 19, 20 (figure 2) respectivement des élec- trodes 9, 10 (figure 1). Selon une autre version de réalisation, le con- vertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique comprend une couche de diélectrique 21 (fi- gure 3) entre l'électrode 9 et la couche de semi-con- ducteur 1. Selon encore une version de réalisation, le con- vertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique comprend une couche de diélectrique 22 (fi- gure 4) entre les couches 1 et 3. Selon encore une version de réalisation, le con- vertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique comprend deux couches de diélectrique 23 et 24 (figure 5) situées respectivement entre l'élec- trode 9 et la couche 1, et entre les couches 1 et 3. Selon encore une version de réalisation, dans le convertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique, une sonde à mercure 25 (figure 6) est utilisée en tant qu'électrode située du côté de la couche 1. Sur la sonde 25 et la source 11 est branchée un générateur de tension sinusoïdale 26. La figure 7 représentant le diagramme des bandes énergétiques illustre une bande interdite 27, une ban- de de valence 28 et une bande de conduction 29 de la couche diélectrique 21 (figure 3). La bande 2 (figure 7) comprend des centres de piégeage 30 auxiliaires créés, par exemple, en ajoutant des impuretés. La concentration de tous les centres 5, 6, 30 est supé- il -2 rieure à 10 cm. Dans la bande de valence 16 de la couche 2 (figure 3), on voit un électron 31 (figure 7) en train d'être piégé par un des centres 30 au cours de l'enregistrement du signal optique 14. La figure 8 représentant le diagramme de bandes énergétiques illustre une bande interdite 32, une bande de valence 33 et une bande de conduction 34 de la cou- che diélectrique 22 (figure 4). Au-dessous du niveau de Fermi 19 (figure 8) de l'électrode 9 (figure 4) est montré un électron 35 (figure 8) en train d'être piégé par l'un des centres de piégeage 30 de la bande 2 dans la couche 1 (figure 4) au cours de l'enregistrement du signal optique 14. La figure 9 représentant le diagramme de bandes énergétiques illustre des bandes interdites 36 et 37, des bandes de valence 38 et 39, des bandes de conduc- tion 40 et 41, respectivement, des couches de diélec- trique 23 et 24 (figure 5). Dans la bande de valence de la couche 1 (figure 9) est montré un trou 42, et dans la bande-de conduction 17 de celle-ci un élec- tron 43 en train d'être piégés par les centres de pié- geage 30 de la bande 2 au cours de l'enregistrement du signal optique 14. Le principe de fonctionnement du convertisseur du rayonnement Électromagnétique en signal électrique selon l'invention consiste en ce qui suit. Un photon portant le signal optique 14 (figure 1) est absorbé par exemple dans l'électrode 9, rendant possible une photo-émission d'un électron 7 (figure 2) ou d'un trou 8 (ce qui dépend de la polarité de la tension de polarisation de la source 11) respectivement dans la bande de conduction 17 ou dans la bande de va- lence 15 de la couche 1 (figure 1). Puis, l'électron 7 (figure 2) photoémis ou le trou 8 sera piégé, respec- tivement, par un centre de piégeage 5 ou 6. Ainsi, dans la couche 1 (figure 1) le long de sa surface surgit une charge dont la valeur de la densité super- ficielle correspond à la structure spatiale du signal optique 14 projeté sur le convertisseur, cela témoi- gnant de l'enregistrement du signal 14. Le champ électrostatique du à cette charge pénètre dans la couche 3 et y crée un relief de potentiel cor- respondant, et lorsqu'on mesure dans divers points de la surface de la couche 3 située en regard de la cou- che 1, par exemple, la valeur de la force photoélec- tromotrice, cette valeur correspondre au relief de potentiel créé dans la couche 3, et donc aussi à la structure spatiale du signal optique 14 enregistré. De la sorte, l'information optique enregistrée est lue. Afin que les centres de piégeage se chargent jus- qu'à un niveau permettant une lecture sûre pendant pratiquement toute la période de temps nécessaire et à des intensités suffisantes du signal optique, leur concentration doit être supérieure à 10il cm 2. La valeur de la force photoélectromotrice (signal vidéo) est mesurée dans la couche 3 en balayant la sur- face de cette dernière par un rayon de lumière foca- lisé (qui n'est pas montré sur la figure) du côté de l'électrode transparente 9. L'énergie des quanta doit alors être inférieure à la largeur de la bande inter- dite 2 (figure 2), de la couche 1 (figure 1) et supé- rieure à la largeur de la bande interdite 4 (figure 2) de la couche 3 (figure 1). Ce signal vidéo est dispo- nible à la charge 12 et prélevé sur la sortie 13. Selon l'invention, la longueur d'onde de seuil pour l'enregistrement des signaux optiques 14 est dé- finie par la barrière énergétique entre le niveau de Fermi 19 (figure 2) et le niveau inférieur de la bande de conduction 17 pour l'électron 7, ainsi qu'entre le niveau 19 et le niveau supérieur de la bande de valen- ce 15 pour les trous 8. Ainsi, on vient de décrire le processus d'enre- gistrement du signal optique 14 à l'aide de la photo- émission des électrons 7 et des trous 8 à partir de l'électrode 9 (figure 1). Le mécanisme d'enregistrement de l'information à l'aide de la photoémission d'un électron ou d'un trou (qui ne sont pas représentés sur la figure), respecti- vement à partir de la bande de valence 16 (figure 2) ou de la bande de conduction 18 de la couche 3 (figure 1), présente des analogies avec celui décrit ci-dessus. Moins grande est l'épaisseur de la couche 1 (fi- gure 1), plus grande est l'action du champ électrosta- tique induit par la charge piégée par les centres 5, 6 (figure 2) sur la formation du relief potentiel dans la couche 3 (figure 1), et donc plus haute est la sen- sibilité du convertisseur. Il est utile de limiter l'épaisseur de la couche à une valeur se situant entre 1 et 5 pm. Selon l'invention, la couche de diélectrique 21 (figure 3) évite le shuntage du signal vidéo dans le cas de formation éventuelle de micropores dans la couche 1. L'électron 31 (figure 7) est photoémis vers les centres de piégeage de la bande de valence 16 de la couche 3 (figure 3). - Les barrières énergétiques entre les niveaux in- férieu:-s des bandes de conduction 17 et 29 (figure 7) et les niveaux supérieurs des bandes de valence 15 et 28, respectivement, des couches 1 et 21 (figure 3) em- pêchent l'écoulement libre des porteurs de charge à travers la couche 1, ce qui augmente la probabilité de piégeage de ces porteurs de charge par les centres de piégeage 30 (figure 7), et donc améliore la sensibi- lité du convertisseur. Les barrières susdites surgissent toujours, vu que la largeur de la bande interdite 27 (figure 7) de la couche 21 (figure 3) dépasse notable- ment celle de la bande interdite 2 (figure 7) de la couche 1 (figure 3) dans tous les cas présentant un intérêt pratique. Pour le reste, le fonctionnement du convertisseur est analogue à celui qu'on vient de décrire. Une limitation de l'écoulement des porteurs de charge à travers la couche 1 de la figure 4 devient possible grâce au rapport des énergies des bandes in- terdites 2 et 32 (figure 8), ainsi qu'aux positions énergétiques des niveaux inférieurs des bandes de con- duction 17 et 34 et des niveaux supérieurs des bandes de valence 15 et 33, respectivement, de la couche 1 (figure 4) et de la couche diélectrique 22. L'électron 35 est alors photoémis vers les cen- tres de piégeage 30 (figure 8). Le fonctionnement du convertisseur est analogue à celui qu'on vient de dé- crire. L'existence de deux couches diélectriques 23, 24 (figure 5) permet en même temps de limiter l'écoulement libre à travers la couche 1 desélectrons 43 (figure 9) et des trous 42. Dans ce cas, la longueur d'onde de seuil pour l'enregistrement des signaux optiques 14 est définie par la largeur de la bande interdite 2 (figure 9) de la couche 1 (figure 5). L'absorption d'un photon engendre un électron 43 (figure 9) et un trou 42, ceux-ci étant ensuite sé- parés dans le champ extérieur et piégés par les centres de piégeage 30. Dans ce cas, selon l'invention, les barrières énergétiques (une barrière pour l'électron 43, et une barrière pour le trou 42) fonctionnent deux à deux. Les barrières sont formées de la façon suivante une paire de barrières, c'est-à-dire la barrière entre les niveaux inférieurs des bandes de conduction 17 et 40 respectivement de la couche l (figure 5) et de la couche diélectrique 23, et une barrière entre les niveaux supérieurs des bandes de valence 15 et 39 (figure 9) respectivement, de la couche l (figure 5) et de la couche diélectrique 24, ainsi qu'une paire de barrières, c'est-à-dire la barrière entre les niveaux inférieurs des bandes de conduction 17 et 41 (figure 9), respectivement, des couches 1 et 24 (figure 5), et la il barrière entre les niveaux supérieurs des bandes de valence 15 et 38 (figure 9) respectivement des couches l et 23 (figure 5). Pour le reste, le fonctionnement du convertisseur est analogue à celui qu'on vient de décrire. Dans les convertisseurs ayant une grande super- ficie utile de la couche de semi-conducteur 1 (figure 6) la sonde à mercure 25 est déplacée suivant sa sur- face libre par l'intermédiaire de tout organe connu (qui n'est pas montré sur la figure). L'utilisation de la sonde 25 permet de diminuer la grande capacité d'un tel convertisseur, laquelle shunte partiellement le signal vidéo. Selon l'invention, l'application de la sonde à mercure 25 évite le shuntage à 100 % sui- vant toute la superficie de la couche 1 en présence des micropores dans cette couche. Le générateur de tension sinusoïdale 26 excite un courant alternatif qui circule dans le convertisseur et la charge 12, cela permettant dans le cas d'un choix convenable de celle-ci de mesurer la capacité dynamique dont la va- leur, comme la valeur de la force photoélectromotrice, est en bon accord avec le relief de potentiel créé dans la couche 3, ce qui permet la lecture de l'infor- mation enregistrée. REVENDICATIONS 1. Convertisseur de rayonnement électromagnétique en signal électrique comprenant deux couches de semi- conducteur (1 et 3) réunies entre elles; lesdits semi- conducteurs ayant des bandes interdites (2 et 4) de différentes largeurs formant un contact d'arrêt pour les porteurs de charge d'un signe, et deux électrodes (9 et 10), l'une desquelles se situe du côté de la surface libre de la couche de semi-conducteur (1) à bande interdite plus large (2), et l'autre du côté de la surface libre de la couche de semiconducteur (3) à bande interdite moins large (4), caractérisé en ce que la couche de semi-conducteur (1) à zone interdite plus large (2) est en un matériau ayant une structure susceptible d'assurer un contact d'arrêt pour les por- teurs de charge de l'autre signe. 2. Convertisseur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la structure du matériau de la couche de semi-conducteur (1) à bande interdite plus large (2), outre sa susceptibilité d'assurer le contact d'arrêt pour les porteurs de charge des deux signes, permet encore de créer des centres de piégeage (5, 6, 30), de porteurs de charge. 3. Convertisseur selon la revendication 2, carac- térisé en ce qu'en tant que matériau à structure sus- ceptible d'assurer le contact d'arrêt pour les por- teurs de charge des deux signes et de créer les cen- tres de piégeage (5, 6, 30) des porteurs de charge, est utilisé le séléniure de zinc compensé à un degré de compensation voisin de 100 %. 4. Convertisseur selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la concentration des centres de pié- geage (5, 6, 30) de porteurs de charge dans le maté- riau de la couche de semi-conducteur (1) à bande in- terdite plus large (2) dépasse 1011 cm 2. 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de semi-conducteur (1) à bande interdite plus large (2) a une épaisseur inférieure à 5 Pm. 6. Convertisseur selon la revendication 5, carac- térisé en ce qu'il comprend au moins une couche de diélectrique principale (21 ou 22) réunie à la couche de semi-conducteur (1) à bande interdite plus large. 7. Convertisseur selon la revendication 6, carac- térisé en ce que la couche de diélectrique principale (22 ou 24) est encore réunie à la couche de semi-con- ducteur (3) à bande interdite moins large (4). 8. Convertisseur selon la revendication 7, carac- térisé en ce qu'il comprend au moins une couche de diélectrique auxiliaire (23) entre l'électrode (9) et la surface libre de la couche de semi-conducteur (1) à bande interdite plus large (2). 9. Convertisseur selon l'une quelconque des re- vendications 6 à 8, caractérisé en ce que les couches de diélectrique principale et auxiliaire (21, 22, 23, 24) sont de 50 à 10000 A d'épaisseur. 10. Convertisseur selon l'une quelconque des re- vendications 5 à 8, caractérisé en ce que l'électrode (9) située du côté de la surface libre de la couche de semi-conducteur à bande interdite plus large (2) est ponctuelle et peut être déplacée. 11. Convertisseur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'en tant qu'électrode ponctuelle, on utilise une sonde à mercure (25).