Brevet FR2517913A1 — publié le 19830610

La présente invention concerne un procédé de pola- risation d'un détecteur photoconducteur ainsi qu'un appareil de détection destiné à sa'mise en oeuvre - Plus précisément, l'invention concerne la polari- sation d'un détecteur photoconducteur et un appareil de détection qui comporte un détecteur ayant au moins un élé- ment photoconducteur, une source de polarisation, reliée au détecteur et destinée à appliquer une polarisation à chaque élément du détecteur, et un circuit de sortie relié à chaque élément, commandé par le signal électrique de sortie de chaque élément et destiné à extraire, de chaque signal électrique de sortie,-un photosignal qui dépend de l'intensité du rayonnement parvenant sur chaque élément. L'invention concerne en particulier un procédé de polari- sation d'un détecteur photoconducteur selon lequel la po- larisation est appliquée à chaque élément du détecteur et un photosignal qui dépend de l'intensité du rayonnement est extrait du signal de sortie formé par chaque élément. On a déjà considéré l'utilisation des détecteurs photoconducteurs, notamment ceux qui sont sensibles au rayonnement infrarouge, dans les applications de formation d'images Ils peuvent aussi trouver une application dans les ensembles de communication par laser et de télémétrie laser, utilisés dans l'avenir. Des détecteurs photoconducteurs classiques com- portent un ou plusieurs éléments carrés formés d'une matière photosensible, chaque élément ayant deux contacts distants de polarisation Dans des applications de formation d'images, un tel détecteur est placé dans le plan image d'un ensemble optique et il est habituellement protégé afin que l'éclai- rement du fond continu parvenant sur le détecteur soit réduit Le détecteur est habituellement monté sur un sup- port refroidi et il est refroidi afin que la discrimination du signal par rapport au bruit soit améliorée Dans un mode de réalisation d'appareil classique de détection ayant des éléments photoconducteurs intrinsèques sensibles au rayonnement du moyen infrarouge et du lointain infrarouge, une polarisation en courant continu permanent, assurée par une source d'un courant constant, est appliquée à cha- que élément Chaque élément détecteur a ainsi, à ses bor- nes, une tension de palier de polarisation, qui dépend de l'intensité du courant de polarisation et de la résis- tance de 1 'élément Lorsqu'un rayonnement de longueur d'onde con- venable parvient sur les éléments détecteurs, des photo- signaux qui sont des phototensions dans le cas considéré, apparaissent et font augmenter la tension transmise par chaque élément La tension excédentaire du photosignal, pour les intensités normales du rayonnement, est de plu- sieurs puissances de dix inférieure à l'amplitude de la tension du palier de polarisation; et habituellement, on applique à chaque élément une tension inverse par soustrac tion d'une tension continue afin que le photosignal puisse être extrait et amplifié Cependant, la tension inverse appliquée doit suivre dans chaque cas les variations de la tension de palier afin qu'elle soit pleinement efficace comme tension inverse Ces variations apparaissent par exemple à la suite d'une dérive de la température du sup- por-t refroidi, d'une variation de la température ambiante, d'une variation de l'éclairement moyen du fond continu, et d'une dérive du courant de polarisation De telles varia- tions de la tension de palier sont en général elles aussi -supérieures de plusieurs puissancesde dix à la tension excédentaire du photosignal En outre, la tension de palier et la variation de cette tension varient d'un élément à un autre En général, les résistances des différents éléments sont différentes puisque la résistivité du matériau et les dimensions des éléments varient étant donné les tolé- rances de fabrication Du fait de ce défaut d'uniformité de la tension du palier de polarisation, il est au moins très difficile sinon impossible en pratique d'appliquer une tension inverse satisfaisante aux éléments dans les ensembles d'observation sans balayage, d'une manière telle que le photosignal voulu qui dépend de l'éclairement puis- se être extrait sans introduction d'un bruit de dessin fixe atteignant un degré inacceptable On peut aussi faire fonctionner ces détecteurs par une polarisation à tension constante et non à courant constant et dans ce cas l'in- tensité du courant du dispositif est mesurée Ce fonction- nement nécessite aussi une compensation de la polarisa- tion, et celle-ci introduit de manière analogue un bruit de dessin fixe. Compte tenu de ces difficultés, les progrès dans le développement des détecteurs photoconducteurs sont con- trariés, et ce développement est en train de céder la place au développement des détecteurs photovoltaiques, bien que ces derniers mettent en oeuvre une technologie plus complexe, en général plus co teuse et bien moins élaborée. On a déjà indiqué dans la littérature, à la pla- ce de l'utilisation de la polarisation continue, une uti- lisation expérimentale d'une polarisation par un courant alternatif en hyperfréquence, comme décrit dans l'ouvrage de A S Sommers Jr, "Microwave biassed photoconductive detector", chapitre 11 (page 435), Semiconductors and Semi- metals, vol 5, Eds Willardson and Deer (Academic Press) 1970 La sensibilité en courant continu (c'est-à-dire la variation élémentaire de tension correspondant à l'inten- sité unité de rayonnement de longueur d'onde convenable) d'un élément photoconducteur est limitée par des pertes dues à la recombinaison des photoporteurs, au niveau des contacts de polarisation Cependant, lorsqu'on utilise une polarisation alternative à très haute fréquence comme indiqué, ces pertes par recombinaison forcée peuvent être réduites puisque le sens de circulation des photoporteurs peut être inversé avant que de nombreux photoporteurs n'at- teignent les contacts de polarisation Dans ce cas, la densité des photoporteur est au contraire limitée par les pertes dues à une recombinaison naturelle dans la masse de la matière de l'élément, ces porteurs se recombinant pendant une durée de vie moyenne naturelle Il est indiqué que la sensibilité linéaire atteinte (en courant alterna- tif) est très supérieure Cependant, comme indiqué aussi, le détecteur est polarisé dans le champ en hyperfréquence d'une cavité résonante accordée en hyperfréquence Un tel appareil est complexe, de réglage précis difficile, et coûteux Un tel appareil n'a pas été utilisé industriel- lement, dans la mesure o on peut le savoir Le mérite du principe est qu'il permet la polarisation du photocon- ducteur dans des champs élevés sans qu'il souffre de l'in- convénient des pertes des porteurs aux contacts Le photo- signal créé et la réponse à la polarisation sont cependant tous deux linéaires et posent le même problème d'un bruit de dessin fixe. L'invention concerne la résolution de ce problème et plus précisément elle concerne un procédé de polarisa- tion et un appareil de détection qui permettent l'extrac- tion du photosignal utile qui dépend de l'éclairement du signal global de l'élément - Plus précisément, l'invention concerne un procédé de polarisation d'un détecteur photoconducteur, caractérisé en ce que la polarisation appliquée a une amplitude variant au cours du temps et a une amplitude de crête telle qu'elle se trouve dans une partie pratiquement non linéaire de la caractéristique de sensibilité de chaque élément du détecteur, l'amplitude de la polarisation variant en un temps qui est nettement supérieur à la durée de vie des photoporteurs. Il est commode d'utiliser comme polarisation une polarisation alternative ou une polarisation ayant une composante alternative, par exemple un courant alter- natif appliqué à un courant continu d'intensité finie, ou une tension alternative superposée à une tension con- tinue de valeur finie. La composante utile du photosignal contenue dans le signal résultant de l'élément peut être extraite par séparation harmonique Cependant, pourvu que la polarisation alterne autour d'un point de fonctionnement se trouvant sur la caractéristique de sensibilité de chaque élément, la sensibilité changeant de degrés différents au-dessus et au-dessous de ce point (cette caractéristique étant obtenue lorsque la polarisation appliquée a à la fois une composante alternative et une composante continue finie), la composante du photosignal du signal de l'élément peut être extraite au contraire par redressement. L'invention concerne aussi un appareil de détec- tion destiné à la mise en oeuvre du procédé précité, cet appareil étant caractérisé par une source de polarisation destinée à appliquer une polarisati'on cyclique comprenant à la fois une composante alternative et une composante continue finie, la polarisation ayant une amplitude de crête comprise dans une partie sensiblement non linéaire de la caractéristique de sensibilité de chaque élément du détecteur, la polarisation ayant une période sensible- ment supérieure à la durée de vie des photoporteurs. Un signal utile peut être extrait à l'aide d'un filtre destiné à transmettre le signal continu le signal continu induit par la fonction non linéaire du détecteur - lui-même induit par l'éclairement incident. Dans une variante, un signal utile peut être extrait sous forme d'un harmonique à la fréquence de la polarisation alternative, à l'aide d'un filtre passe-haut ou d'uncircuit à sensibilité de phase L'harmonique filtré peut aussi être ensuite -transformé en un signal continu par simple redressement Cependant, il peut être préfé- rable d'appliquer, comme composante alternative de la po- larisation, une polarisation alternative modulée en am- plitude, et d'extraire le signal voulu sous forme d'un signal de démodulation, à l'aide d'un filtre passe-bas destiné à arrêter le signal à la fréquence alternative la plus élevée (c'est-à-dire la fréquence de porteuse de la polarisation), le signal à la fréquence de modulation étant transmis Comme les fréquences de modulation et de la porteuse peuvent être utilisées avec une séparation bien choisie, le dessin du filtre d'extraction peut ainsi être très simplifié. Le détecteur peut être utilisé afin qu'il re- çoive le rayonnement modulé, et en conséquence, le dessin du filtre peut être choisi de manière appropriée. Comme décrit dans la description qui suit, lors de l'utilisation d'une polarisation par un courant, la valeur préférable du courant continu de polarisation peut être inférieure dans une certaine mesure à celle de la polarisation en courant continu utilisée habituellement, et elle est telle qu'elle donne un champ de polarisation E compris entre 0,5 et 0,7 fois le champ E de polarisa- tion de balayage appliqué habituellement: 0,5 E O S E 5 0,7 E et de préférence E 0,6 E O o O O le champ de polarisation ordinaire E étant donné par la relation I Ja Eo T/L = 1 dans laquelle ga est la mobilité ambipolaire des photopor- teurs, T est la durée de vie normale des photoporteurs, et Z est la distance séparant les contacts de chaque élément. La valeur la plus avantageuse de l'amplitude de crête du courant alternatif de polarisation correspond aussi de façon optimale à un champ de polarisation ayant une amplitude de crête comprise entre 2,0 et 4,0 fois le champ de polarisation continue E 2,OE c E _ 4,OE et de préférence E 3,OE De cette manière, la dissipation d'énergie cor- respondant à l'enveloppe des crêtes et néce ssaire\à l'obten- tion des meilleures propriétés, peut être réduite au minimum. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un appareil de détec- tion, le détecteur incorporé à l'appareil comprenant un seul élément photoconducteur; les figures 2 a et 2 b sont des graphiques représen- tant la sensibilité d'un élément en fonction de la polarisa- tion appliquée; la figure 3 est un fraphique représentant la relation entre l'amplitude de crête de polarisation alterna- tive, portée en ordonnées et la polarisation continue, portée en abscisses, pour une amplitude de crête du signal de valeur constante et pour une énergie d'enveloppe de crêteselle aussi constante; et les figures 4 et 5 sont des graphiques représen- tant les formes d'onde de la polarisation modulée et du photosignal filtré et démodulé. On considère maintenant un mode de réalisation de l'invention L'appareil de détection représenté sur la figure 1 comporte un seul élément détecteur photoconduc- teur 1 qui a une forme rectangulaire, carrée en réalité. Cet élément est formé d'un matériau à base de tellurure de mercure et de cadmium de type n, convenant comme détec- teur du rayonnement infrarouge dans la gamme du spectre électromagnétique comprise entre 8 et 14 microns, avec une sensibilité de crête à une longueur d'onde de 10 mi- crons environ L'élément a une dimension classique, c'est- à-dire qu'il est sous forme d'un carré d'environ 50 mi- crons entre des contacts métalliques d'or 3 et 5 La ré- sistance de l'élément est comprise entre 30 et 40 ohms. Les contacts de l'élément sont reliés à une source 7 de polarisation en courant, ayant une impédance élevée et qui assure la polarisation en courant alternatif avec un courant continu de niveau fini Comme la source a une impé- dance élevée, l'amplitude alternative de crête et la pola- risation continue sont toutes deux relativement insensi- bles aux variations de l'impédance de l'élément La tension de signal apparaissant aux bornes de l'élément polarisé. est relayée vers une filtre 11 de sortie qui a pour rôle d'extraire la composante représentant le photosignal de la tension du signal de sortie à une fréquence autre que la fréquence de polarisation. Lors du fonctionnement, le détecteur 1 est re- froidi à la température de l'azote liquide et il est pla- cé au plan image d'un ensemble opticue (non représenté). Le niveau de la polarisation continue est réglé à 2,0 milliampères environ et l'amplitude de crête du cou- rant alternatif est 3,0 fois supérieure, c'est-à-dire qu'el- le est de 6,0 milliampères afin que le photosignal reçu soit raisonnable pour une puissance de crête modeste La fréquence du courant alternatif de polarisation, qui n'est pas primordiale, est choisie à 10 k Hz, et cette polarisa- tion alternative est modulée en amplitude à une fréquence plus faible, une fréquence de modulation d'environ 1 k Hz. La modulation est réglée à 100 % afin que le signal démo- dulé obtenu soit le plus grand possible La forme d'onde de cette polarisation alternative est représentée sur la figure 4. La caractéristique de sensibilité de l'élément est représentée sur les figures 2 a et 2 b Comme l'indique cette caractéristique, pour les faibles valeurs du champ de polarisation, la sensibilité augmente linéairement lors- que l'amplitude de la polarisation augmente Cette région linéaire correspond à un régime dans lequel la recombinai- son des photoporteurs s'effectue essentiellement dans la masse du matériau Cependant, lorsque le champ de polari- sation atteint des valeurs plus grandes, les photoporteurs se recombinent au niveau du contact de polarisation et ce mécanisme de perte commence à prédominer L'augmenta- tion de sensibilité devient moins prononcé et la sensibilité se rapproche asymptotiquement d'une valeur de saturation X ax Dans cette région, la caractéristique est très net- tement non linéaire Il faut aussi noter que la caracté- ristique de réponse présente une symétrie (en fait une anti-symétrie) autour du centre O des axes qui constitue le point de polarisation nulle. L'intensité de polarisation de 2,0 milliampères correspond au point Op représenté sur la caractéristique,- ce point correspondant à,un champ de polarisation E égal à 0,6 fois la valeur du champ de balayage E E = 0,6 E; ^E^T/^ = 1 Autour de ce point de fonctionnement Op, le courant alterna- tif-de polarisation oscille entre une excursion positive maximale + 8,0 milliampères (i ET/Z = 2,4) et une excursion négative maximale de 4,0 milliampères (g ET/Z =-1,2) En l'absence d'éclairement, le détecteur se comporte comme une simple résistance constante En présence d'éclairement, le signal résultant de sortie présente une distorsion im- portante due à la saturation de la sensibilité au rayon- nement pour les polarisations élevées Il existe un redres- sement partiel correspondant a une démodulation de la pola risation et le signal de démodulation peut alors être retiré par couplage alternatif, puis filtré afin qu'un signal variant à la fréquence de modulation soit extrait puis redressé et qu'il donne un signal continu de niveau pro- portionnel aux intensités d'éclairement incident. Les critères de sélection du point de fonction- nement et de l'amplitude de crête de la polarisation alter- native peuvent être déterminés d'après la figuré 3 Des profils sont tracés pour différentes valeurs de l'ampli- tude de crête du signal de sortie, suivant des facteurs correspondant à 0, 05, 0,6,, 0,11 fois une amplitude de référence, ces profils étant calculés pour un détecteur idéal L'intensité du signal dans le cas d'un détecteur à balayage maximal (sensibilité saturée) est de 0,5 unité. (A titre comparatif par rapport à un détecteur classique à polarisation continue, cette référence est considérée sous forme de l'amplitude du photosignal correspondant à l'intensité unité de rayonnement pour un champ de pola- risation continue -E O (^ 1 E^T/^ = 1) appliqué au même dé- tecteur et pour lequel le signal est de 0,37, avec les mêmes unités) Ces caractéristiques sont représentées en traits gras On a aussi représenté -les-profils pour diffé- rentes valeurs de l'énergie d'enveloppe de crête: 0,5, * 10 1,0,, 2,5, par rapport à une énergie de référence. (L'énergie de référence est considère comme l'énergie dissi- pée pour le champ de polarisation continue E 0) Ces cour- bes sont représentées en traits interrompus. Comme l'indique la figure 3, pour une valeur donnée de l'amplitude du signal, l'énergie d'enveloppe de crêtesminimale est dissipée pour une polarisation ayant une amplitude alternative de crête correspondant à un fac- teur d'environ 3,0 fois la valeur de la polarisation con- tinue, comme indiqué par la droite de pente de 3,0 L'éner- gie de l'enveloppe de crêtesaugmente d'une manière marginale seulement pour des facteurs compris entre 2,0 et 4,0 par exemple, comme représenté par les droites limites de pente 2,0 et 4,0 Le point de fonctionnement x (polarisation continue 0,6, polarisation alternative 1,8) est représenté. Il correspond à une amplitude du signal un peu supérieure à 0,10 unité de référence, une énergie de crête de 1,-9 fois la référence et une énergie moyenne de 0,9 fois la référence Ainsi, dans ces conditions-, la demande moyenne d'énergie est un peu inférieure à la référence Cependant, c'est la valeur de l'énergie de l'enveloppe de crêteset en particulier du chauffage à l'énergie de crête qui li- mite le fonctionnement à des valeurs de polarisation con- tinue qui ne sont pas trop élevées Ainsi, il apparaît que le champ de polarisation continu est très avantageu- sement limité à une valeur du champ de 0,7 E au maximum, afin qu'une dissipation excessive d'énergie de crête soit évitée, et que la valeur du champ-est de 0,5 Eo au minimum afin que l'amplitude du signal soit raisonnable (ce cri- tère n'étant pas aussi primordial) de manière que le fonc- tionnement reste dans les limites raisonnables, au moins comme l'indique la figure. Les courbes représentées ont été tracées dans le cas d'un élément idéal et-on n'a pas tenu compte de la résistance de contact et d'autres facteurs En consé- quence, en pratique, les limites données peuvent nécessiter, des modifications et une optimisation. Le signal inverse alternatif ou continu, selon le cas,peut être utilisé pour le réglage du niveau du si- gnal démodulé Il peut être choisi afin qu'il donne un niveau de signal nul dans le cas de l'éclairement du fond continu, et il constitue donc un dispositif augmentant le contraste du signal d'image et permettant une utilisa- tion très efficace des amplificateurs placés ensuite. REVENDICATIONS 1 Procédé de polarisation d'un détecteur photo- conduceur ( 1) selon lequel une polarisation est appliquée à chaque élément ( 1) du détecteur et un photosignal dé- pendant de l'intensité du rayonnement est extrait du si- gnal de sortie formé par chaque élément ( 1), caractérisé en ce que la polarisation appliquée a une amplitude variant au cours du temps et a une amplitude de crête comprise dans une partie sensibiblement non linéaire de-la caracté- ristique de sensibilité de chaque élément du détecteur, l'amplitude de polarisation variant en un temps qui est nettement supérieur à la durée de vie des photoporteurs. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la polarisation est-alternative ou a une compo- sante alternative. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le photosignal est extrait par sépa- ration harmonique. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la polarisation comporte à la fois une compo- sante alternative et une composante continue, et le photo- signal est extrait par redressement du signal de sortie transmis par chaque élément. Appareil de détection destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant un détecteur ( 1) qui comporte au moins un élé- ment photoconducteur ( 1), une source ( 7) de polarisation, reliée au détec- teur ( 1) et destinée à appliquer une polarisation à chaque élément ( 1) du détecteur ( 1), 'et un circuit de sortie ( 11) relié à chaque élément. ( 1), sensible au signal électrique de sortie de chaque élément ( 1), et destiné à extraire de chaque signal électri- que de sortie, un photosignal dépendant de l'intensité du rayonnement parvenant sur chaque élément (-1), l'appareil étant caractérisé en ce que la source de polari- sation ( 7) est réalisée afin qu'elle applique une polarisa- tion cyclique comprenant à la fois une composante alter- native et une composante continue finie, la polarisation ayant une amplitude de crête telle qu'elle se trouve dans une partie sensiblement non linéaire de la caractéristique de sensibilité de chaque élément du détecteur, la polari- sation ayant une période nettement supérieure à la durée de vie des photoporteurs. 6 Appareil selon la revendjcation 5, caractérisé en ce que chaque circuit de sortie ( 11) comporte un filtre ( 11) destiné à extraire le photosignal sous forme d'un signal continu. 7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque circuit de sortie ( 11) comporte un filtre passe-haut ou un détecteur à sensibilité de phase, si bien que le photosignal peut être extrait à un harmonique de la fréquence de polarisation. 8 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la source de polarisation ( 7) est destinée à appliquer une polarisation cyclique ayant une composante alternative et une polarisation modulée en amplitude, et chaque circuit de sortie comprend un filtre passe-bas destiné à.arrêter le signal à la fréquence porteuse de la polarisa- tion et à transmettre le signal à la fréquence de modula- tion. 9 Appareil selon l'une quelconque des revendications à 8, caractérisé en ce que l'amplitude E du champ de polarisation continue est telle que 0,5 Eo et l'amplitude de crête du champ de polarisation alterna- tif E est telle que: 2,0 E E ' 4,0 E