Brevet FR2514950A1 — publié le 19830422

La présente invention concerne des détecteurs à bandes photoconductrices, dont la matière photoconductrice est sous forme d'une bande et qui comprend deux contacts de polarisation et une région de lecture formée entre ces contacts. On utilise ces détecteurs dans les appareils de formation d'images thermiques par balayage. Le brevet britannique NO 1 488 258 décrit un appareil de formation d'images thermiques par balayage comprenant un détecteur à bande photoconductrice. Ce détecteur comporte un filament sous forme d'une bande ayant des côtés parallèles et formée d'une matière photoconductrice, le tellurure de cadmium et de mercure de type n, comprenant des contacts de polarisation et, entre eux, une région de lecture. Dans un premier cas, la région de lecture est formée par un contact redresseur constitué par rapport à la bande, placé près de l'un des contacts de polarisation. Dans un tel système, le contact redresseur forme une diode reliée à un circuit de polarisation. La circulation des porteurs minoritaires dans ce circuit crée un signal de réponse qui peut être utilisé pour la reconstitution de l'image thermique.Dans un autre cas, la région de lecture est délimitée par deux contacts conducteurs distants dont l'un peut aussi jouer le r81e d'un contact de polarisation. Un signal de réponse est formé aux bornes de ces contacts de lecture. Lors du fonctionnement, le détecteur est placé dans le plan de l'image balayée dans l'appareil et une image thermique est balayée suivant sa longueur, à une vitesse constante. Une polarisation est appliquée au détecteur afin que les photoporteurs créés dans la bande sous l'action du rayonnement thermique incident, soient déplacés vers la région de lecture et le contact négatif de polarisation. Dans un cas idéal, qui est en pratique celui des matières ayant la propriété de durée de vie des porteurs ordinaires, le champ de polarisation est uniforme sur toute la longueur du détecteur rectiligne, et les mobilités des porteurs sont constantes.Les photoporteurs se déplacent ainsi vers la région de lecture à une vitesse constante appelée vitesse de dérive ambipolaire. L'amplitude de polarisation est choisie avec soin afin que la vitesse de balayage et la vitesse de dérive se correspondent avec précision, et il y a donc, pendant tout le cycle de balayage, une correspondance univoque entre le profil de densité des photoporteurs et le profil d'intensité de 1 image, formée par intégration constructrice. Cependant, la résolution spatiale qui peut entre obtenue dans l'image reconstituée dépend de plusieurs facteurs tels que la diffusion thermique des porteurs, la largeur de la bande et la constante de temps d'intégration du circuit de polarisation de la diode ou de l'espacement des conducteurs de lecture. On choisit habituellement ces valeurs afin qu'elles donnent une bonne résolution. On a aussi mis au point des techniques destinées à limiter la dispersion des photocapteurs par diffusion et améliorant la résolution du détecteur, la fente pouvant par exemple être fendue afin qu'elle forme un trajet sinueux comme décrit dans le brevet britannique NO 2 019 649. On a réalisé d'autres progrès dans la fabrication des matières à base de tellurure de cadmium et de mercure. On peut maintenant réaliser des détecteurs ayant une détectabilité D* et une sensibilité R très améliorées. En fait, on peut maintenant réaliser des détecteurs ayant une longueur d'onde de coupure voisine de 11 microns et ayant une détectabilité D* à 500 K d'environ 2,0.1011 cm.Hz# m 1 (dans un flux 16 2 -l photonique du fond continu de. 2,4.1016 cm 1 et à une vitesse de balayage de 1,1.104 cm.s-1)1,1.104 et une durée de vie des porteurs qui est extraordinairement élevée 4 3,6 es. Cependant, dans ces détecteurs, ayant une longueur de cette matière de 0,7 mm, la résolution qui a été déterminée expérimentalement d'après la mesure de la fonction de dispersion des raies, parait entre anormalement mauvaise.Cette résolution ne peut pas autre prédite avec précision d'après la seule diffusion thermique, et on considère qu'elle est beaucoup plus mauvaise et en général trop mauvaise pour être acceptable. L'invention est destinée à remédier à cet inconvénient et à augmenter la résolution des détecteurs à bandes photoconductrices de longueur d'onde active relativement courte, formés d'une matière ayant une longue durée de vie des porteurs. On a constaté selon l'invention, après des études poussées, que la dégradation de la résolution pouvait être attribuée aux effets d'une accumulation progressive de porteurs due à l'éclairement du fond continu. Dans des détecteurs à bandes rectilignes formés d'une matière ayant une longue durée de vie, le champ de polarisation et les mobilités des porteurs ne sont donc pas uniformes sur une proportion considérable de la longueur de la bande, si bien que la vitesse de dérive est loin d'être constante (au moins dans une région de longueur de l'ordre de 22t ), si bien que I'adaptation des vitesses n'est plus possible avec précision. (Si la bande a une longueur relativement grande telle que L > la variation de vitesse dans la partie initiale de la bande n'a pas d'importance, car les porteurs correspondants se recombinent avant d'être détectés). Ainsi, l'invention concerne un détecteur à bande photoconductrice qui comprend une bande d'une matière photoconductrice ayant une longue durée de vie de porteurs, la bande ayant au moins deux contacts de polarisation et une région de lecture placée entre ces contacts, la région de la matière de la bande comprise entre un premier contact de polarisation et la région de lecture ayant une longueur relativement faible, si bien que le détecteur, lors de l'application d'une polarisation, forme un champ de polarisation dont l'amplitude dépend de la distance au premier contact de polarisation et est telle qu'il donne un écart notablement réduit de la valeur de la vitesse de dérive des porteurs correspondante dans la plus grande partie de la région d e la bande, si bien que la résolution du détecteur est accrue. Le détecteur peut avantageusement être réalisé de manière que l'une au moins des dimensions latérales de la bande, sa largeur ou son épaisseur, a des valeurs différentes en différents points le long de la bande. De préférence, cette dimension latérale varie progressivement et de façon continue, la largeur ou l'épaisseur ou les deux vari-ant progressivement le long de toute la longueur de la bande entre le premier contact de polarisation et la lecture. Dans un cas idéal, cette variation correspond à un profil tel que le champ de polarisation est modifié d'une manière qui donne une variation négligeable de la vitesse de dérive des porteurs. Dans une variante, le détecteur est réalisé par adaptation de la concentration massique des donneurs le long de la matière de la bande. Par exemple, une espèce de dopage peut être introduits en quantité variant progressivement le long de la bande par une technique d'implantation ionique contr#1ée. Cette disposition présente l'avantage de la conservation de la surface du détecteur, mais elle est difficilement réalisable au point de vue technique, en pratique. Dans une variante, la' bande a subi un traitement superficiel variant progressivement. Dans une variante, des conducteurs métalliques isolés de dimension variant progressivement ou des contacts résistifs isolés peuvent être placés sur la surface de la matière de la bande, d'un côté ou de l'autre d'un tronçon exposé de la matière. Le profil des charges de surface peut alors être mode'fié par charge des conducteurs ou des contacts avec modification du champ efficace de polarisation le cas échéant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en plan d'un détecteur à bande de forme rectiligne habitue-lle la figure 2 est un graphique représentant sous forme de points et de courbes, la variation de la densité des porteurs en excès et de la vitesse de dérive en fonction de la distance mesurée à partir de l'extrémité du détecteur, les valeurs étant calculées pour le détecteur représenté sur la figure 1 ; la figure 3 est une vue en plan représentant le profil d'un exemple de détecteur à bande ayant une largeur variant progressivement ;; la figure 4 est un graphique représentant la variation de la densité des porteurs et de la vitesse de dérive, calculée pour le détecteur représenté sur la figure 3 ; et la figure 5 est une vue en plan d'un détecteur à bande analogue à celui de la figure 3 mais ayant un profil avantageux de variation de largeur. La figure 1 représente un détecteur à bande de configuration géométrique rectiligne habituelle. Il est formé d'une bande 1 de matière a base de tellurure de cadmium et de mercure ayant une épaisseur t de l'ordre de 8 microns. La matière est du type n et elle se caractérise par une densité d'électrons extrinsèque (porteurs majoritaires) n à 80 K qui a une valeur de 4.1014 cl 3. La.mobilité des trous (porteurs minoritaires)## eh est égale à 500 cm2.V 1,5 1 pour la matière utilisée. La bande 1 a des contacts 3 et 5 de polarisation, un à chaque extrémité de la bande, et, entre les contacts 3 et 5, un contact conducteur 7 placé à une courte distance du second contact 5 de polarisation. Le contact conducteur 7, le second contact 5 de polarisation et la mat#ière photoconductrice placée entre eux forment ensemble une région 9 de lecture du détecteur.Lorsque celui-ci est monté dans un appareil de formation d'images thermiques, une polarisation est appliquée aux contacts de polarisation, avec une polarité positive pour le premier contact 3 et négative pour le second 5, comme indiqué par les symboles + et - sur la figure 1. Les points de la figure 2 sont déterminés numéri- quement à l'aide de l'équation de continuité et des relations indiquées dans la suite du présent mémoire, la condition aux limites étant que la densité des porteurs en excès, due au flux du fond continu nb, est nulle aux contacts de polarisation positifs (x = O). L'équation de continuité unidimensionnelle si l'on néglige les effets de la diffusion et si l'on suppose que les termes compris dans le gradien de champ et le gradient de mobilité sont faibles. Dans cette équation, q désigne le rendement de conversion photoélectrique, + désigne le flux du rayonnement du fond continu parvenant sur le détecteur, t l'épaisseur du détecteur, R(nb) la vitesse de recombinaison d'Auger, (nb) la mobilité ambipolaire des porteurs, E(nb) le champ électrique de polarisation, n la densité électronique (n E n0 + n#), nb la densité des porteurs en excès dus au flux du fond continu et x la distance mesurée à partir d'une première extrémité, l'extrémité de polarisation positive du détecteur, et dans les équations qui suivent, T0 désigne la durée de vie des porteurs en excès mesurée avec un fond continu nul, ;; désigne la durée de. vie mesurée è l'extrémité de polarisation négative d'un très long filament et in situ, Eo désigne le champ de polarisation mesuré au contact de polarisation positive (x - O), et neff désigne la densité mas ai que efficace des porteurs tenant compte de la conductance superficielle de shunt, cette densité étant habituellement de l'odre de 2nO. La vitesse de rebombinaison d'Auger R(n), la mobilité ambipolaire H nb) et le champ de polarisation E(nb) varient avec la densité des porteurs en excès nb suivant les relations Le détecteur est utilisé dans un ensemble protecteur refroidi ayant une ouverture F/2,5 et, pour ces conditions, le flux du rayonnement du fond continu + est ainsi égal à 2,7.1016 -2 s-1 pour une température du fond continu T = 295 K et une longueur d'onde du rayonnement Ac = 11,7 microns. On prend aussi des valeurs caractéristiques pour le rendement quantique 'I: 0,7 et pour le champ de polarisation Eo de 30 V.cm#1. Sur la figure 2, la densité des porteurs en excès nb(x) est représentée en trait interrompu, et la vitesse de dérive V(x) en trait continu, pour trois valeurs différentes de la durée de vie des porteurs #O = 2, 4 et 6 microsecondes. La vitesse de dérive# est donnée par la relation y(n) = (n) . E(n) Equation 5 La durée de vie in situ ## est donnée par la relation rOO - ( #o . no2) / (nO + nb)(nO + 2nb) Equation 6 et elle a des valeurs de 1,5, 2,5 et 3,4 microsecondes correspondant aux trois valeurs de durée de vie des porteurs #o de 2, 4 et 6 microsecondes. o On note sur la figure 2 qu'il existe une variation considérable de la vitesse de dérive et que celle-ci est la plus prononcée dans le cas du dispositif ayant la plus longue durée de vie des porteurs ( Cependant, on peut obtenir une amélioration par modification du profil du champ de polarisation. Ainsi, la figure 3 représente un détecteur ayant une configuration géométrique modifiée. Ce détecteur qui est aussi à base de tellurure de cadmium et de mercure de type n et qui a une épaisseur de 8 microns, est sous forme d'un segment tronqué de cercle ayant une largeur, en son point le plus large, de 62,5 microns, et un contact 3 de polarisation positive est formé à cette extrémité. La bande 1 a ainsi des côtés qui se rapprochent et qui sous-tendent un angle d'environ 1,50 au centre du cercle, à une distance du contaet de polarisation positive de 2400 microns. On conclut que l'équation de continuité devient L'équation différentielle 7 est résolue numériquement avec les paramètres indiqués précédemment, sauf que le champ de polarisation Eo est réduit afin qu il corresponde à une vitesse de balayage de 1,1.104 cm.s-1 environ, c'est à-dire que E = 22,6 V.cm-1. o Comme l'indique la figure 4, la dispersion de la vitesse de dérive (-c'est-à-dire son écart)est très inférieure à celle du dispositif de configuration rectiligne (voir figure 2 avec une échelle différente) bien que, pour la forme particulièrement simple de variation de largeur choisie, la correction ne soit pas suffisante près du contact de polarisation positive, et la correction soit un peu excessive aux points du détecteur les plus' éloignés de ce contact. Néanmoins, si la longueur du détecteur est limitée à 400 microns, la vitesse ambipolaire, en aucun point sur la longueur, et pour aucun des trois cas considérés, ne s'écarte de plus de 5 % d'une valeur de 1,13.104 cm.s-1.Une estimation grossière de l'élargissement des impulsions dO au désaccord des vitesses indique que celui-ci est inférieur à 8 microns dans le cas le plus mauvais (t0 = 2 microsecondes) et peut être comparé d'une manière favorable à l'élargissement des impulsions estimé pour le dispositif de configuration géométrique rectiligne qui est de 41 microns. La résolution est donc nettement améliorée. On peut encore obtenir une meilleure amélioration par modification du profil de variation progressive. Ainsi, sur la figure 5, la largeur du détecteur suit un profil donnant une vitesse constante de dérive sur toute la longueur de la bande. Le profil idéal est calculé d'après l'équation de continuité, avec, comme restriction, le maintien de la vitesse à une valeur constante V = #(x)E(x) = v c (constante) Equation 9 La variation de largeur W est donnée par l'équation Ce profil peut être obtenu avec un cache photographique formé par dessin avec l'-assistance d'un ordinateur, et mise en forme photolithographique de la matière conductrice avec un produit chimique d'attaque. Dans le cas d'autres processus de recombinaison, il existe une relation différente entre nbZnO, par exemple dans le cas d'un dispositif dans lequel une recombinaison radiative prédomine, la relation donnant nb/nO est nb -n = /T1 - exp(-x/vcroEquation 14 n o Dans le cas général, comprenant une recombinaison radiative et d'Auger ou en fait tout autre processus de recombinaison pour lequel le processus varie avec la concentration des porteurs de la même manière, des formules correspondantes peuvent être tirées des équations fondamentales indiquées précédemment. Lorsque la variation de largeur ou d'épaisseur doit être importante, on peut apporter de petites variations aux paramètres f, Ot et tfo afin de tenir compte de l'inter o section incomplète du flux photonique total par les parties relativement étroites du détecteur. On peut calculer ces valeurs d'une manière simple d'après la dernière équation indiquée. REVENDICATIONS 1. Détecteur à bande photoconductrice, du type qui comprend une bande (1) d'une matière photoconductrice, ayant une longue durée de vie des photoporteurs, une paire de contacts de polarisation (3, 5) espacés sur cette bande (1), et une région de lecture (9) placée entre les contacts de polarisation (3, 5), le détecteur étant caractérisé en ce que l'une au moins des dimensions latérales de la bande (1), c'est-à-dire son épaisseur ou sa largeur, est fonction de la distance mesurée le long de la bande (1) afin que la valeur de la vitesse de dérive des photoporteurs présente un écart notablement réduit dans la plus grande partie de la bande lorsqu'une polarisation est appliquée. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande (1) a un profil variant progressivement. 3. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bande (1) a un profil variant progressivement et non rectiligne, le profil étant adapté afin qu'il donne une vitesse de dérive des photoporteurs sensiblement constante dans toute la bande (1) lorsqu'une polarisation est appliquée. 4. Détecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur de la bande (1) varie avec la distance suivant l'équation dans laquelle WO désigne une largeur de référence, W(x) désigne la largeur à la distance x de l'origine, nb désigne la densité des porteurs en excès dus au flux du fond continu, n0 désigne la densité électronique due à la polarisation et neff désigne la densité massique efficace des porteurs, tenant compte de la conductance superficielle de shunt. 5. Détecteur à ban-de photoconductrice, du type qui comprend une bande (1) d'une matière photoconductrice ayant une longue durée de vie des photoporteurs, deux contacts de polarisation (3, 5) espacés sur cette bande (1) et une région de lecture (9) placée entre les deux contact de polarisation (3, 5), caractérisé en ce que la bande (1) est formée d'une matière qui a une concentration massique des donneurs qui est fonction de la longueur'le long de la bande (1), cette con entration modifiant l'amplitude locale du champ de polarisation le long de la bande (1) afin que la valeur de la vitesse de dérive des photoporteurs ne varie que très peu dans la plus grande partie de la bande (1) lorsqu'une polarisation est appliquée. 6. Détecteur à bande photoconductrice, du type qui comprend une bande (1) d'une matière photoconductrice ayant une longue durée de vie des photoporteurs, deux contacts de polarisation (3, 5) espacés le long de cette bande, et une région de lecture (9) placée entre -les deux contacts de polarisation (3, 5), caractérisé en ce que la matière de la bande (1) a subi un traitement superficielle progressif modifiant l'amplitude locale du champ de polarisation le long de la bande (1) afin que la valeur de la vitesse de dérive des photoporteurs dans la plus grande partie de la bande (1), présente une variation très réduite lorsqu'une polarisation est appliquée. 7. Détecteur à bande photoconductrice, du type qui comprend une bande (1) d'une matière #photoconductrice ayant une longue durée de vie des photoporteurs, deux contacts de polarisation (3, 5) distants sur cette bande (1), et une région de lecture (9) disposée entre les deux contacts de polarisation (3, 5), le détecteur étant caractérisé en ce qu'il comporte des électrodes placées à la surface de la matière de la bande (1), de chaque côté d'un tronçon exposé de la matière, les électrodes étant isolées par rapport à la surface, et étant destinées à modifier l'amplitude locale du champ de polarisation le long de la bande (1) afin que la valeur de la vitesse de dérive des photoporteurs, dans la plus grande partie de la bande (1) soit très réduite lorsqu'une polarisation est appliquée.