Brevet FR2517887A1 — publié le 19830610

La présente invention concerne un procédé de po- larisation d'un détecteur photoconducteur, un appareil de détection et un appareil photoconducteur destiné à être utilisé dans cet appareil En particulier, elle concerne un appareil de détection qui comporte un détecteur comportant au moins un élément photoconducteur, une source de polarisa- tion reliée au détecteur et destinée à appliquer une polari- sation à chaque élément du détecteur, et un circuit de sortie relié à chaque élément et commandé par le signal électrique de sortie de chaque élément afin qu'il extraie, de chaque signal électrique de sortie, un photosignal qui dépend de l'intensité du rayonnement parvenant sur chaque élément, et elle concerne en particulier un procédé de polarisation d'un détecteur pho- toconducteur tel que la polarisation est appliquée à chaque élément du détecteur et un photosignal dépendant de l'inten- sité du rayonnement est extrait du signal de sortie formé par chaque élément. On a déjà considéré l'utilisation de détecteurs photo- conducteurs, notamment ceux qui sont sensibles au rayonnement infrarouge, dans les applications de formation d'images Ces détecteurs peuvent aussi être utilisés dans des installations de communications par laser et de télémétrie laser, dans l'a- venir. Les détecteurs photoconducteurs classiques comportent un ou plusieurs éléments carrés d'une matière photosensible, chaque élément ayant deux contacts distants de polarisation. Dans les applications de formation d'images, un tel détecteur est disposé dans le plan image d'un ensemble optique et il est habituellement protégé afin que l'éclairement du détecteur par la lumière parasite soit réduit Le détecteur est habituelle- ment monté sur une platine refroidie et il est refroidi afin que la discrimination du signal par rapport au bruit soit améliorée Dans un mode de réalisation d' appareil de détection classique mettant en oeuvre des éléments photoconducteurs in- trinsèques sensibles à la lumière de l'infrarouge moyen et lointain, une polarisation par un courant continu permanent provenant d'une source d'un courant constant est appliquée à chaque élément Ainsi, une tension formant un palier de po- larisation est formée aux bornes de chaque élément détecteur, cette tension dépendant de l'intensité du courant de polari- sation et de la résistance de l'élément Lorsqu'un rayonne- ment de longueur d'onde convenable parvient sur les éléments détecteurs, des photosignaux, sous forme de phototension dans le cas considéré, apparaissent et elles font croître la ten- sion transmise par chaque élément La tension supplémentaire du photosignal, pour les intensités normales du rayonement, est inférieure de plusieurs puissances de 10 à la valeur du palier de polarisation, et habituellement, on applique à chaque élément une tension inverse, permettant la soustraction d'une tension continue qui permet l'extraction et l'amplification de la composante du photosignal Cependant, la tension inverse appliquée doit-suivre dans chaque cas les variations de la ten- sion de palier afin d'être pleinement efficace De telles va- riations peuvent par exemple être dues à une dérive de la tem- pérature du support refroidi, à une variation de la température ambiante, à une variation de l'éclairement moyen du fond con- tinu et à une dérive du courant De-telles variations de la tension de palier sont aussi en général supérieures de plu- sieurs puissances de 10 au-photosignal élémentaire En outre, la tension de palier et la variation de cette tension varient d'un élément à un autre En général, les éléments ont des ré- sistances qui diffèrent puisque la résistivité de la matière et les dimensions des éléments varient compte tenu des tolé- rances de fabrication Du fait de ces défauts d'uniformité de la tension de palier de polarisation, il est extrêmement dif- ficile sinon impossible en pratique, dans les ensembles d'ob- servation sans balayage, d'appliquer une tension inverse sa- tisfaisante aux éléments de manière que le photosignal voulu, dépendant de l'éclairement, puisse être extrait sans introduc- tion d'un bruit de configuration fixe à un degré inacceptable. Il est aussi possible de faire fonctionner ce détecteur avec. une polarisation à tension constante et non à courant constant et dans ce cas c'est l'intensité du courant du dispositif qui est mesurée Cet arrangement nécessite aussi une compensation de la polarisation et introduit de même un bruit de configura- tion fixe. Etant donné ces difficultés, les progrès dans la mise en oeuvre des détecteurs photoconducteurs se trouvent contrecarrés, et leur développement est peu à peu abandonné au profit de celui des détecteurs photovoltaïques, bien que ces derniers mettent en oeuvre une technologie plus complexe, en général plus coûteuse et bien moins maîtrisée. L'invention concerne la résolution du problème pré- cité et plus précisément un procédé de polarisation, un appa- reil de détection et un détecteur photoconducteur qui facili- tent l'extraction du photosignal utile qui dépend de l'éclai- rement du courant ou de la tension donné par un élément détec- teur. Ainsi, l'invention concerne, dans un premier mode de réalisation, un procédé de polarisation d'un détecteur photoconducteur tel que la polarisation appliquée est de type alternatif, et Le détecteur photoconducteur auquel la polari- sation est appliquée comporte au moins un élément photocon- ducteur ayant une sensibilité qui varie avec des degrés diffé- rents selon la polarité de la polarisation. Dans un second mode de réalisation, l'invention con- cerne un appareil de détection destiné à la mise en oeuvre du procédé précité de polarisation et qui-comporte une source de polarisation alternative, et le détecteur photoconducteur com- prend au moins un élément photoconducteur dont la sensibilité varie avec des degrés différents selon la polarité de la po- larisation - Dans un troisième mode de réalisation, l'invention concerne un détecteur photoconducteur qui comporte au moins un élément photoconducteur, chaque élément ayant une sensi- bilité qui varie avec des degrés différents suivant la polarité de la polarisation. Le terme "sensibilité" utilisé dans le présent mé- moire se rapporte à la variation élémentaire du signal de sor- tie de l'élément, c'est-à-dire à la variation élémentaire de tension dans le-cas d'une polarisation en courant et la va- riation élémentaire de l'intensité du courant dans le cas d"une polarisation en tension, cette variation élémentaire étant obtenue lorsque l'intensité unité d'éclairement d'un rayon- nement de longueur d'onde convenable parvient sur chaque élément photoconducteur. Un tel détecteur peut comprendre au moins un élé- ment photoconducteur, chaque élément étant destiné à former un champ électrique non uniforme de polarisation qui varie progressivement sur sa longueur en fonction de la polari- sation appliquée, si bien que la sensibilité dépend de la polarité Chaque élément peut ainsi avoir une configuration, c'est-à-dire une largeur et/ou une épaisseur différentes en différents points le long de l'élément La largeur et/ou la profondeur peuvent avoir une dimension qui varie de façon continue ou la dimension peut varier brutalement, par exemple par paliers Dans une variante, chaque élément peut avoir des contacts de polarisation dont les largeurs diffèrent afin qu'un champ non uniforme soit créé Dans une autre variante, chaque élément peut avoir une concentration d'une matière de dopage qui varie, progressivement ou un traitement superfi- ciel variant progressivement Des contacts, ayant différentes. propriétés de recombinaison, un contact étant par exemple du type à accumulation et un autre d'un type sans accumulation, peuvent être utilisés pour la création du défaut voulu d'u- niformité du champ. Lorsqu'une polarisation est appliquée à l'un quel- conque des éléments détecteurs décrits précédemment et lors- que le rayonnement de longueur d'onde convenable parvient sur l'élément, des photoporteurs sont créés dans la masse de la matière et subissent une dérive dans un sens qui dépend de la polarité de la polarisation Ainsi, pour une première polarité de polarisation, les photoporteurs dérivent vers le champ plus intense et, pour l'autre polarisation, ils dérivent vers le champ moins intense Dans un élément détecteur à ba- layage, le signal auquel contribue chaque photoporteur est proportionnel à la différence de potentiels qui provoque sa dérive, sur son trajet vers le contact de sortie Dans chacun des éléments précités, le champ électrique n'est pas uniforme et le potentiel V dépend de la position (x, y) des porteurs. Ainsi, lorsque le potentiel a une valeur VO à un premier contact d'extrémité et une valeur V 1 à l'autre, V 1 étant supérieur à vo, le signal créé par les photoporteurs balayés est'dans un premier cas proportionnel à E{V(x,y) VI et o dans l'autre cas, à Z{V - V(xy)} Comme le champ électrique varie progressivement, ces deux signaux somme diffèrent, la réponse étant différente pour les deux sens de circulation. Cependant, au contraire, en l'absence d'éclairement, chaque élément secomporte comme un dispositif linéaire et les réponses ne présentent pas de différences d'amplitudes. Il est avantageux qu'une partie de la surface de chaque élément puisse être cachée par un cache opaque afin que les différences de photoréponse soient accentuées, pour les polarisations de polarités positive et négative. Chaque élément se comporte d'une manière analogue à un redresseur demionde, puisqu'il forme un signal accru à la moitié du cycle de polarisation En conséquence, des éléments complémentaires peuvent-être avantageusement connec- tés par paires ou ils peuvent être combinés afin qu'ils for- ment un montage analogue à un redresseur à deux alternances. Lorsque les éléments ont une largeur qui varie, les formes convenables peuvent être choisies afin que des élé- ments puissent être bien tassés en formant un arrangement uni- dimensionnel ou bidimensionnel. Lorsqu'une polarisation alternative est appliquée à un élément éclairé, le signal de réponse de l'élément, qui est une tension ou un courant, peut être intégré afin qu'il forme un signal continu Le niveau de ce signal dépend de l'intensité du rayonnement parvenant sur l'élément Cependant, en l'absence de rayonnement, l'élément se comporte comme un dispositif linéaire et son signal de réponse a un caractère véritablement alternatif Ainsi, lorsque ce signal de réponse est intégré, le niveau du signal continu de sortie est égal à zéro On peut ainsi séparer le photosignal et la polarisation du signal global de réponse. Dans une variante, un photosignal utile peut être extrait par une séparation harmonique, à l'aide d'un filtre passe-haut destiné à arrêter le signal à la fréquence de po- larisation ou d'un détecteur de déphasage. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue schématique en plan d'un élément détecteur ayant une configuration modifiée - la figure 2 est un diagramme synoptique d'un appa- reil de détection comprenant un détecteur incorporant l'élé- ment représenté sur la figure 1, les figures 3 af 3 b et 3 c représentent respectivement un graphique représentant la sensibilité de l'élément de la figure i en fonction de l'amplitude et de la polarité de polarisation, une forme d'onde appliquée de polarisation, et une forme d'onde du photosignal de réponse la figure 4 est un diagramme synoptique d'un appa- reil de détection comprenant un détecteur et ayant un arran- gement à deux lignes d'éléments imbriqués; les figures 5 à 7 sont des vues en plan d'éléments détecteurs ayant d'autres configurations que l'élément de la figure 1; et la figure 8 est un diagramme synoptique d'un appareil de détection comprenant un élément combiné. La figure 1 représente un élément détecteur 2 de configuration particulière, formé d'une matière sensible à l'infrarouge à base de tellurure de mercure et de cadmium de type n, cette matière étant sensible au rayonnement dans la fenêtre du spectre électromagnétique comprise entré 8 et 14 mi- crons L'élément comporte des contacts métalliques d'or 3 et 5 à raison d'un à chaque extrémité Cet élément 2 a été dé- limité par attaque chimique dans un carré de 50 microns de largeur, 50 microns de longueur et 10 microns d'épaisseur et il comporte une région étroite 15 de 10 microns de largeur et micro-ns de longueur et une région large 13 de 50 microns de largeur et 35 microns de longueur L'élément 2 a une ré- sistivité qui est comprise entre 12 et 50 ohms par carré. L'élément 2 est ainsi réalisé de manière que, lors de l'appli- cation d'une polarisation entre les contacts 3 et 5, il for- me un champ électrique de polarisation qui varie avec la dis- tance le long de l'élément, ce champ étant plus intense dans la région étroite 15 et moins intense dans la région large. Comme l'indique la figure 2, une polarisation alternative, en courant, est appliquée par une source 7 d'impédance élevée et la réponse de l'élément détecteur qui est une réponse en tension, est appliquée aux entrées d'un circuit 11 de sortie d'impédance élevée sous forme d'un amplificateur in- tégrateur La composante du photosignal de la tension de réponse est représentée sur la figure 3 c Comme l'indique la figure 3 a, la sensibilité varie à la fois avec l'ampli- tude et la polarité de polarisation Pour les faibles valeurs de l'amplitude de polarisation, la sensibilité dans chaque quadrant est linéaire Dans un tel régime, les photoporteurs sont perdus par recombinaison dans la masse de la matière Pour une amplitude plus grande de la polarisation, la sensibilité varie non linéairement et, dans chaque quadrant, une sensibi- lité maximale R est obtenue d'une manière asymptotique. max Ce phénomène se produit lorsque la recombinaison des photo- porteurs aux contacts de polarisation devient le mécanisme pré- dominant des pertes, le photoporteur étant "balayé" à l'un et/ou l'autre des contacts 3 et 5 de polarisation Cependant, pour une première polarité de la polarisation, le contact 3 qui est adjacent à la région large 13 de l'élément 2, a une po- larisation négative Les photoporteurs dérivent alors vers ce contact 3, un petit nombre seulement, créé dans la région étroite 15 de champ élevé, dérivant dans le champ élevé formé dans la région étroite 15 et dans le champ faible formé dans la région large 13, la plus grande partie restante dérivant uniquement dans le champ faible de la région large 13 La sensibilité pour cette polarité est ainsi faible Dans le cas de l'autre polarité, l'autre contact 5 est polarisé négati- vement Les photoporteurs créés dans l'élément dérivent en sens inverse et vers ce contact 5 Cependant, dans ce cas, la majorité des photoporteurs dérivent à la fois-dans le champ faible formé dans la région large 13 et dans le champ intense formé dans la région étroite 15 La sensibilité est donc plus grande pour cette autre polarité La différence de sensibilités peut être encore accrue à l'aide d'un cache opaque 17 destiné à recouvrir la région étroite-15 de l'élé- ment 2 De cette manière, on peut obtenirun rapport de sensibilité sensibilité maximale (polarisation directe) Rmax(+) sensibilité maximale (polarisation inverse) Rmax() d'environ 3,0 pour ce dessin'de l'élément, bien que cette va- leur puisse beaucoup varier par modification des dimensions du dispositif Un courant alternatif ayant une intensité de crête de 1 à 5 m A permet un déplacement sur la plus grande partie de la caractéristique de sensibilité (des figures 3 a et 3 b), et ce phénomène est optimisé afin qu'il donne une bonne intensité des signaux de sortie pour une dissipation mo- deste d'énergie La réponse de l'élément comprend une compo- sante alernative linéaire plus élevée à laquelle se superpose la photoréponse non linéaire due à l'éclairement La variation du photosignal qui est représenté sur la figure 3 c correspond donc à une forme d'onde qui n'est pas linéaire et qui est écrêtée à des degrés différents dans des demi-cycles successifs. Lorsque la réponse est transmise par l'amplificateur intégra- teur 11, la composante linéaire de polarisation de ce signal de réponse est intégrée et donne une valeur nulle Cependant, comme la composante du photosignail du signal de réponse est asymétrique (comme l'indique la figure 3 c), elle donne un si- gnal continu déterminé lorsqu'elle est intégrée Ce signal est une fonction linéaire de l'intensité du rayonnement parvenant sur l'élément 2 du détecteur 1 et correspond au trait mixte de la figure 3 b. Ce procédé de polarisation peut être appliqué à un dé- tecteur 1 qui comprend deux rangées d'éléments 2 de forme va- riable comme représenté pour l'appareil de la figure 4 Le contact 5 de polarisation de sortie de chaque élément détecteur 2 est relié à l'entrée d'un amplificateur intégrateur 11 La sortie de chaque amplificateur 11 est alors reliée à un registre 19 à décalage à ligne à retard par l'intermédiaire d'un cir- cuit d'échantillonnage et de maintien 21 Ces circuits 21 et le registre à décalage sont alors déclenchés périodiquement en 23 afin que, à la sortie du registre 19, il apparaisse un signal série de lecture Celui-ci est alors relayé vers un circuit d'affichage ou unautre circuit de contrôle. Comme les signaux de réponse forméspar chaque élé- ment ne sont pas linéaires, le signal au lieu d'être traité par intégration, peut aussi être transmis à un filtre passe- haut ou à un détecteur de déphasage destiné à séparer un ou plusieurs harmoniques (second, troisième-, etc) du photosignal par rapport au signal à la fréquence de polarisation. Les figures 5 à 7 représentent des variantes de configuration d'élément photoconducteur Sur la figure 5, l'élément 2 a une forme de trapèze de 50 microns de longueur et comporte deux contacts dont l'un a une largeur de 10 mi- crons et l'autre une largeur de 60 microns Sur la -figure 6, l'élément 2 a une région large 13 de forme trapézoïdale dont dépasse une région étroite 15 L"élément 2 a une longueur de 50 microns et comporte deux contacts dont l'un a 10 microns de largeur et l'autre 60 microns de largeur La région étroite a une longueur de 12 microns Sur la figure 7, l'élément est un carré de 50 microns de côté, mais il a un contact de longueur réduite de 6 microns de largeur, l'autre contact ayant une largeur de 50 microns Les éléments formés de ma- tière à base de tellurure de mercure et de cadmium, de la même manière que dans l'exemple de-la figure 1, ayant ces con- figurations, sont aussi étudiés et indiquent qu'ils présentent aussi une sensibilité asymétrique. Les éléments 2 peuvent aussi avoir une configuration permettant un tassement important sous forme d'un arrangement bidimensionnel comme indiqué pour le détecteur de la figure 4 De cette manière, la surface utile de matière photocon- ductrice peut être optimisée Les éléments de ce détecteur sont recouverts par des contacts métalliques 3 et 5 et les lignes adjacentes d'éléments sont imbriquées L'ensemble de l'arrangement peut être formé par attaque chimique dans une seule tranche d'une matière photoconductrice. La figure 8 représente un élément 2 ' sous forme d'une combinaison Cet élément 2 ' est sous forme d'un dis- positif à trois contacts ayant un premier contact 3 débouchant dans une région large 13 de l'élément et deux contacts supplé- mentaires 5 débouchant chacun dans une région étroite corres- pondante 15 de l'élément 2 ' Une polarisation est appliquée aux deux contacts relativement petits 5 Chacun des côtés du détecteur fonctionne pendant les demi-cycles alternés, les signaux de sortie étant ajoutés à l'entrée d'addition. d'un amplificateur 25 La composant; linéaire du signal de polarisation est annulée dans le circuit d'entrée 27 de l'amplificateur. REVENDICATIONS 1 Procédé de polarisation d'un détecteur photoconduc- teur, selon lequel une polarisation est appliquée à chaque élément ( 2) du détecteur et un photosignal dépendant de l'in- tensité du rayonnement est extrait du signal de sortie formé par chaque élément ( 2), caractérisé en ce que la polarisation est de type alternatif, et le détecteur photoconducteur auquel la polari- sation est appliquée,comporte au moins un élément photocon- ducteur ( 2) dont la sensibilité est variable à des degrés différents d'après la polarité de la polarisation. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de sortie de chaque élément est intégré afin qu'il permette l'extraction d'un photosignal. 3 Procédé selon larevéndication 1, caractérisé en ce que le photosignal est extrait pour chaque élément par séparation harmonique. 4 Appareil destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, du type qui comprend un détecteur ( 1) comportant au moins un élément photoconducteur ( 2), une source de polarisation ( 7) reliée au détecteur et destinée à appliquer une polarisation à chaque élément du détecteur, et un circuit de sortie ( 11) relié à chaque élément ( 2) et destiné à recevoir le signal électrique de sortie de chaque élément ( 2) et à en extraire un photosignalqui dé- pend de l'intensité du rayonnement parvenant sur chaque élé- ment ( 2), caractérisé en ce que la source de polarisation ( 7) est une source alter- native, et le détecteur photoconducteur ( 1) comporte au moins un élément photoconducteur ( 2) ayant une sensibilité qui va- rie à des degrés différents avec la polarité de polarisation. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque circuit de sortie comporte un intégrateur ( 11) destiné à former le signal en courant continu, correspon- dant au photosignal. 6 Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque circuit de sortie comprend un filtre passe- haut destiné à extraire le photosignal. 7 Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque circuit de sortie comporte un détecteur de déphasage destiné à extraire le photosignal. 8 Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le détecteur ( 1) comporte au moins une paire d'élé- ments complémentaires ( 2), les éléments de la paire étant reliés ou étant combinés sous forme d'une paire ( 2 ') assurant un redressement à deux alternances. 9 Détecteur photoconducteur destiné à un appareil selon la revendication 4, du type qui comprend plusieurs éléments analogues ( 2), le détecteur étant caractérisé en ce que chaque élément a une sensibilité qui varie à des degrés différents avec la polarité de la polarisation. Détecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque élément ( 2) est destiné à créer un champ électrique de polarisation qui n'est pas uniforme et varie progressivement sur sa longueur, lorsqu'une polarisation lui est appliquée. 11 Détecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque élément ( 2) a une configuration telle que la largeur, l'épaisseur ou la largeur et l'épaisseur varient en des points de la longueur de l'élément ( 2). 12 Détecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque élément ( 2) a deux contacts de polarisation ( 3, 5) qui ont des largeurs différentes. 13 Détecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'une partie de la surface de chaque élément ( 2) est cachée par-un cache opaque ( 17). 14 Détecteur photoconducteur destiné à l'appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un élé- ment ( 2 ') sous forme d'une combinaison qui comporte une partie large ( 13) et un contact de masse ( 3) relié à cette partie large, et deux parties étroites ( 15) disposées sur la longueur de la partie large ( 13) et ayant chacune un contact de po- larisation ( 5).