Brevet FR2570515A1 — publié le 19860321

La présente invention est relative au domaine de 1 électro-optique, notamment à la commutation et à la com- mande rapides de dispositifs à corps solides au moyen d'impulsions laser de pico-secondes. Ces commutateurs rapides à corps solides servent à la production d'impulsions électriques ultracourtes ou à la commutation d'impulsions de tension élevées, à la détection directe dtimpulsions laser de pico-secondes, à la réalisa- tion d'un système de mesure et d'échantillornnage électro- optique chronologiquement très séparateur, à la commande ou à la synchronisation stable d'une caméra à bande ne présentant pas de distorsion irrégulière, d'une camera a balayage synchrone et de cellules de Pookels et de Kerr, à la modulation de lasers à semi-conducteurs à impulsions électriques de pico-secondes et à la réalisation dîautres applications. Les solutions techniques connues relatives aux commue tateurs éleotro-optiques à corps solides activés par des impulsions laser de pico-secondes se subdivisent essentiel- lement en deux groupes principaux. Dans l'un de ces groupes, la conductibilité électrique de matériaux semi-conducteurs de grande résistance (sili- cium, par exemple) est augmentée pendant un temps court au moyen d'une impulsion laser de pico-secondes, ctest-à-dire par l'effet photoélectrique intérieur (US-PS 3 917 943 H l01 J, 39/12). Ces commutateurs à corps solides sont ouverts tant que dure leur état de conductibilité augmentée, c'est-à-dire qu'ils laissent passer un courant plus fort. Après cessa- tion de cet état de conductibilité augmentée, le commutateur revient à son état initial de faible conductibilité, de sorte que le commutateur est fermé. Il est donc possible, en principe, de transformer de courtes impulsions laser en courtes impulsions électriques. L'inconvénient de ces commutateurs électro-optiques à corps 2 25705 15 solides consiste en ce que les amplitudes des impulsions de tension que l'on peut obtenir sont relativement faibles et que, par ailleurs, des phénomènes d'instabilité thermi- que peuvent provoquer un claquage en avalanche. Pour que le rendement de commutation soit de 95 %, la densité d'énergie d'excitation du laser doit être supé- rieure ou égale à 100 u J/cm2 pour des énergies de photons de l'ordre de grandeur de la largeur de la bande interdite du matériau solide utilisé. Le deuxième groupe de commutateurs électro-optiques à corps solides englobe des commutateurs rapides à corps solides fonctionnant suivant le principe de "l'effet d'ava- lanche" (US-PS 4 218 618, 4 301 362, HO1 J, 40/14). Dans ces dispositifs un matériau semi-conducteur de grande résistance, par exemple du GaAs ou Cr, est soumis à basse température (77 K, par exemple) à l'action de champs électriques puissants. Une exposition avec impulsion laser courte d'intensité de rayonnement relativement faible provoque en outre la formation de porteurs de charge libres qui, dans les conditions correspondant à un champ électri- que élevé, sont accélérés et produisent "l'effet d'avalanche". Ce dispositif permet la production ou la commutation d'impulsions de tension élevées pour des intensités de laser inférieures à 100 nJ/cm. L'utilisation de l'effet d'avalanche" ne constitue pas non plus une solution optimale, car les commutateurs électro-optiques à corps solides fonc- tionnant d'après ce principe doivent être utilisés à basse température (770K environ). Le but de l'invention est la réalisation d'un commuta- teur électro-optique rapide à corps solide qui permette de produire des impulsions de tension électriques courtes mais- fortes sans aucun risque de claquage en avalanche et sans qu'un refroidissement supplémentaire ou de grandes inten- sités de laser soient nécessaires. Le but de l'invention est la réalisation dtun commutateur électro-optique à corps 3 2570515 solide permettant la production de fortes impulsions de tension sans qu'il soit nécessaire de le refroidir. Ce but est atteint, suivant linvention, du fait queD pour réaliser des commutateurs électro-optiques rapides A corps solides on choisit des matériaux de corps soliLdes de grande résistance ohmique dans lesquels ie débit de courant est limité dans un volume et dans lesquels il peant y avoir injection de porteurs de charge et, par cons6quentr uz effet de courant limité en charge d'espace (SpaeeChar'e Limited-Currents, SCLC). Conformément à la théorie des courants limités en charge d'espace (MoA. Lampert, P. 14ark "', Academic Press9 New-York et Londres 1970) et d'après d'autres critèeos (F. St6ckma:, T. IV, 1961), la manifestation de l'effet SOLC suppose notamment que le corps solide comporte des contacts hmiques et quev par Cle lQiJction de ooaMt soit possible, le temps de relaxation diélectrique et la longueur de Debye remplissant las condition suîivantesD équivalentes par elles-mêmes: (I) f DR = to * tr * > (II) %DR " TR (III) L " d expressions dans lesquellesVD désigne le temps de relazxa DR tion diélectrique, ,,' la constante diélectrique du vide, r' la constante diélectrique relative la conductibilité spécifique TR, la durée de transit L, la longueur de Debye d, l'épaisseur du corps solide Pour pouvoir utiliser cet effet de charge d'espace pour une commutation rapide, il est nécessaire que la bande interdite de la structure du modèle de bandes adapté au corps solide comporte des impuretés profondes et, de prfé- rence, réparties d'une manière mono-énergétique, donc d'une manière discrète. Comme on le sait, dans le cas d'impure- tés profondes et énergétiquement discrètes à une concentra- tion Nt pour une intensité de champ électrique de E et TF'L dans le cas d'une injection de charger il y a formation de ce que l'on appelle la zone TFL qui correspond à l'tétat de remplissage complet des pièces (TrapFilled-Limit) et est défini par l'égalité suivante: e. d (IV) 3TFL 2 Nt ETFL =2,L r O iro D'après cette égalité, Nt devrait être d'un ordre de grandeur tel que la relation suivante soit satisfaite: (V) ETFL pour la plupart des semi-conducteurs. D'après la théorie de Lampert relative au SCLC, la densité de courant, dans les conditions qui viennent d'être indiquées, pour une intensité donnée de champ électrique Ea inférieure à ETFL, est limitée par la charge d'espace, c'est-à-dire proportionnelle à E2. D'aprbs Lampert, on a E2 (vI) J8so 8 r * * d est la mobilité pour la conduite de courant dans la bande de conduite et G est une constante dimensionnelle définie par la relation suivante: N (VII) = g - N. exp. (- Et/KT). expression dans laquelle 9 désigne le facteur de dégénéres- cence qui, pour les niveaux d'impuretés donateurs mono- valents, est égal à 2, 2570515 a Et, la distance d'énergie à partir de la bande de conduc- tion, c'est-à-dire (4 Et = Eo - Et) K, la constante de Boltzmann, Tg la température.absolue. - Si, pour cette intensité de champ électrique E et à a une température constante, le corps solide reçoit une impul- sion laser de pico-secondes, c'est-à-dire perpendiculaire- ment ou suivant un angle de 900 par rapport à la direction du champ électrique extérieur ou encore parallèlement, mais dans le sens opposé à celui du champ, cette photo-injoetion provoque la formation de couples de porteurs de charge libres. Les porteurs de charge provenant de la bando de valence (et, le cas échéant, des bandes de valence profon- des) et des niveaux d'impuretés provoquent une augmentation de courte durée de la conductibilité électrique. L'augmon- tation spontanée de la densité de population de la bande de conduction a pour effet d'augmenter simultanécent la proba- bilité d'occupation d'emplacements d'impuretés libres, LM8é tat qui en résulte est l'état TFLo La brusque augmentation de courant qui se produit alors est de courte durée, car, après la cessation de l'augmentation de densité de popula- tion de la bande de conduction, la réémission à partir des impuretés devient prépondérante et, de ce fait, la caracté- ristique j/E revient à l'état initial de la zone de courant limité en charge d'espace. Si, par contre, le commutateur électro-optique à corps solide est soumis à un rayonnement dans la direction du champ, l'injection de charges et la photo-injection peuvent se superposer de manière à constituer une double injection dont la caractéristique J/E est caractérisée par le fait que l'intensité du champ atteint une certaine valeur de seuil et il se produit un état de résistance différentielle négative qui provoque également une brusque augmentation de l'intensité du courant. La conductibilité électrique résultante du commutateur 6 2570515 électro-optique à corps solide est due à la superposition de l'effet photo-électrique et de l'effet SCLC. Il y a lieu de remarquer également que, dans certaines conditions d'application du rayonnement, l'intensité du champ élec- trique appliqué au commutateur électro-optique peut être renforcée ou réduite par le champ électrique de l'onde lumineuse. L'invention est décrite ci-dessous d'une manière plus détaillée au moyen d'exemples de réalisation. Conformément à la théorie du courant limité en charge d'espace, on fait choix de disques de cristaux ou de cou- ches minces qui permettent le passage de courant limité en volume et qui satisfont aux conditions générales de la théorie du SCLC. Ces corps solides, qui peuvent Otre des semi-conduc- teurs de grande résistance ou des corps isolants, doivent d'abord être associés en sandwich à des contacts ohmiques qui permettent le passage du courant limité en volume et l'injection de porteurs de charge. De plus, l'injection de charges, c'est-à-dire l'injection d'électrons, doit de pré- férence être envisagée. I1 faut, de plus, que, dans ces corps solides, il y ait au moins un niveau d'impuretés domi- nant monoénergétiques du type donateur qui est déterminé sans ambiguité par les paramètres A Et, Nt relatifs aux impuretés et par la section de réception 0e' Comme matériau répondant à ces conditions et aux exi- gences imposées par la théorie du SCLC et présentant les propriétés nécessaires à une utilisation comme commutateur électro-optique, on peut citer par exemple l'iodure II de mercure (Hg I2). Avec son indice de réfraction n = 2,71 et une résis- tivité de l'ordre de 1014 ohm et une largeur de bande interdite de 2, 13 eV, ce matériau convient tout-à-fait, en principe, pour des commutateurs électro-optiques. La brève durée de vie moyenne nécessaire des porteurs de charge 7 5 72570515 excites par l'impulsion laser de pico-secondes est obte- nue par exemple par des niveau dvi puretés du type dona- tour ayant une profondeur énergeétique A Bt-E - t =0 9 eV, %ume concentration de 1013 10 1o6 cm9 et une section de réception pour électrons de l'ordre de 10-13 cm2 Pour des épaisseurs de cristaux inférieurs à 510 -l0 c et pour des tensions de fo ctieoeent de 4000 V en peut obtenir des intensités de champ électrique pouvant attein- dre 105V/em et les appliquer compte tenu de leintensité de champ critique. Les conditions relatives aux contacts ohmiques et le cas échéant, transparents et durables sont satisfaitS par exemple par l'utilisation d'une mince couche de palla- dium déposée par vaporisationo Diverses autres caractéristiques do l'invention rez- sortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de 1inventio2 sont représentées, à titre d'ezemples non limitatifsq am dessin aEnnexé. Les figures 1 à 4 représentent différents dispositifs à corps solides dans lesquels un seul et m9me disque de cristal 7 d'épaisseur d est mis en contact eou monté de différentes manières. La figure 5 reprisernte un dispositif dans lequel ce disque de cristal 7 est remplacé par une couche déposée par vaporisation, mise en contact et située sur le support de substrat 13, Les références 6 désignent les couches de contact ohmiques déposées. Dans l'exemple de réalisation représenté par la figure 4, la couche de contact supérieure 6 doit être de préférence transparente. Les références 5 désignent la liaison électrique fixe entre les conducteurs et les contacts. Dans le dispositif représenté par les figures 1 à 4 la ligne coaxiale de gauche sert de cble de charge 4 dont 8 2570515 on sait que la longueur détermine la durée des impulsions de tension. La ligne coaxiale de droite sert de cible de transmission 4. Dans le dispositif représenté par les fi- gures 1 à 4 la référence 1 désigne la source de tension qui est à la tension U0 et est reliée en 2 à la résistance antérieure 3.La résistance antérieure sert entre autre de limite de courant. Le commutateur électrooptique à corps solide, 6 et 7, mis en contact est relié directement aux deux conducteurs intérieurs des cibles coaxiaux 4. La liai- son conductrice 9 complète le dispositif de conducteur d'ondes, la référence 8 désignant une couche isolante qui sépare-le commutateur électro-optique proprement dit de la liaison 9 à la masse. La résistance de charge 11 permet l'adaptation sans réflexion du dispositif de conducteurs d'ondes. La Jonction 14 sert à capter l'impulsion de commuta- tion produite. Comme le montre la figure 1, l'application du rayon- nement 10 s'effectue parallèlement au plan de contact, c'est-à-dire comme pour le contr8le de la photoconduction. Dans le dispositif représenté par la figure 2, le corps solide 7 est au contact jusqu'à un anneau dont la largeur est déterminée par l'intensité du courant élec- trique. Lors de l'exposition à la lumière, la zone sans contact a, dans sa totalité ou en partie, une faible résistance. Le dispositif représenté par la figure 3 comporte un montage en série d'un photoconducteur 12 et d'un commuta- teur électro-optique. L'exposition à la lumière a pour effet d'affaiblir la résistance du photoconducteur qui peut &tre constitué par le m&me matériau que le corps solide 7, de sorte que l'intensité du champ appliqué au corps solide augmente et que, de ce fait, le commutateur électro-optique S 'ouvre. Dans le dispositif représenté par la figure 4, 9 2570515 leapplication du rayonnement doit se faire perpendiculai- rement aux surfaces de contact, donc comme pour le contrôle de l'effet Domber. Lorsque les dimensions s9y prêtent, les corps solides 7 en contact peuvent 9tre également remplacés par le dis- positif représenté par la figure 5. Le dispositif représenté par la figure 6 comporte un corps solide de grande surface dont la face antérieure et la face postérieure sont munies par exemple de 9 contacts situés les uns en face des autres. Pour plus declarté, on n'a pas affecté des références à tous ces contacts, mais seulement au contact de la lère colonne et de la 3ème colonne. Ce dispositif permet d'utiliser simultanément 9 canaux différents, c'est-àdire qu'avec un seul et msme substrat on peut produire simultanément plusieurs impul- sions électriques. La figure 7 représente une caractéristique j'/ typique du courant limité en charge d'espace (SCLC) sans applica- tion de rayonnement et dans le cas de l'injection de porT teurso La oaractéristique A indique l'tallure du courant SOLO pour un corps solide idéal sans impuretés. La carac- téristique B est constituée par la zone ohmique, la zono limitée en charge d'espace, la zone TFL et la nouvelle zone limitée en charge d'espace, pour laquelle ( = 1 (voir l'égalité VI). V E et E représentent les intensités de champ électrique minimale et maximale qui puissent être appliquées au corps solide, la limite supérieure devant être inférieure à ce que l'on appelle l'intensité de champ critique. L'intensité de champ ESC caractérise le passage de la zone ohmique à la zone limitée en charge d'espace. L'intensité de courant ETFL correspond à la valeur de seuil de l'intensité de champ pour la zone TFL. Cette intensité de champ de seuil est, par exemple, pour Nt = 1013cm'3, r = 7,51 et d = 2. -2cm, cest--dire, pour le monocristal Hg2 d'aprs 10 cm, c'est-à-dire, pour le monocristal %g2 d'après 2570515 l'égalité IV, 2,41. 104 V/cm. Pour E = 2.104 V/cm et à la température ambiante o (2930K) et pour les paramètres relatifs aux impuretés Nt = 1013cm-3, Kt =0,90 eV et la densité d'état No(RT) = 3,67.1019cm3, on obtient, d'après l'égalité VII: C = 6,o4. lo-10 A partir de e = 50 cm /V et de E on peut, d'après o l'égalité VI, calculer la densité de courant dans les cas - " 1 et Q = 1. On obtient: 12o Jso (Eo. " 1) = 9,03.10- A/cm2 et j so (Eo. =1) = 1,50 -. 102 A/cm2 L'effet SCLC fait varier la conductibilité électrique de plusieurs ordres de grandeur. Il faut cependant tenir compte de l'influence de la photoconduction. La superposi- tion de l'effet photo-électrique et de l'effet SCLC permet de réduite la résistance d'ensemble du commutateur électro- optique Jusqu'à une valeur RES / Zo, avec RES =d/A. GES Zo'o GES dA (F + (SC)' Z0 étant la résistance d'impédance. A est la surface de section du cristal et 6F et SC représentent les apports de conductibilité de la nhotoconduction et de l'effet SOLC. Déjà, pour une énergie d'impulsion de moins de 10 nJ/cm2 et pour une durée d'impul- sion moyenne de 10 pz d'une impulsion laser de 530 nu (Nd3+ - YAG mode - Locked - SHG), le commutateur électro- optique dépasse vers le bas la résistance d'impédance et s'ouvre. Pour cette évaluation, on a supposé que l'intensité du champ extérieur E et la valeur maximale de l'intensité o du champ de l'onde lumineuse se superposent dans des conditions optimales, ce qui peut se réaliser au moyen des dispositifs représentés par les figures 1 et 2. Lors de l'ouverture du commutateur électro-optique, un cAble de charge de 25 cm de long produit une impulsion de tension d'une durée d'environ 760 ns. Si la résistance 11. b2570515 de charge 11 permet deobtenir une adaptation sans réflesxio, c'est-à-dire si RGES. = Zo9 il se produit me impulsion en créneau ayant uane hauteur deimpulsioa do U /2 = 200 VD car les évaluations antérieures ont été faites avec U o 400 V Les dispositifs représentés par les figres 2 et permettent d'obtenir des résultats analogues. Si2 par ezomu pie, l'intensité du champ électrique de liînipuloion laser ne peut pas agir elle-même comme dans 19eremple de r6alisa tion correspondant a la figure 3, l'intensité de champ électrique appliquée effectivement au commutateur leotroe optique est augmentée jusqu'à des valeurs telles quo la résistance électrique arrive à Stre de l'ordre de grandeur de la résistance dfimpSdanoe, de sorte quae, imultanenSt, les impulsions de tensions deviennent pluas 2ortoes Maiîo comme l.'întemsité de champ applicable est limit6o pza l'intensité de champ crttique2 il est avantageuz dozposer le commutateur électro-optique proprement deit luaotîon deue source de 'rayomaement constante 159 par. ozemple dtune diode à luminscence pour que la résistance dletriqne d'ensemble dans l'tat de comutation prennent la valou? voulue9 inférieure on égale à Zo La paroi de séparation 16 empêche le photoconducteur 12 d'être atteilt par le rayon- nement. 12 2570515 REVENDICATIONS 1 - Commutateur électro-optique à corps solide pou- vant être excité par un rayonnement électro-magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un corps solide, de grande résistance et sensible au rayonnement qui con- tient, entre la bande de valence et la bande de conduction, au moins une sorte d'impureté profonde de concentration Nt et comporte au moins deux contacts conducteurs de l'tlec- tricité entre lesquels s'applique un champ électrique qui, en l'absence de rayonnement, produit un passage de courant limité en volume à travers le corps solide, ce courant devant être caractérisé comme courant limité en charge d'espace (SCLC) et présentant, à température constante et pour une intensité de champ donnée, une brusque augmenta- tion dtintensité, typique, lorsque le corps solide lui-même ou, le cas échéant, un autre corps solide photoconducteur monté en série avec lui ou les deux ensemble sont soumis à un rayonnement et que, de cette manibre, c'est-à-dire par suite de la superposition de l'effet SCLC et de la photo- conduction, la-résistance d'ensemble du commutateur électro- optique à corps solide devient inférieure ou égale à la résistance d'impédance et que, de ce fait, on peut obtenir un effet de commutation court qui peut se répéter dès que le commutateur électro-optique à corps solide est ouvert de nouveau par une autre impulsion de rayonnement. 2 - Commutateur électro-optique à corps solide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps solide de grande résistance et sensible au rayonnement est un disque semi-conducteur ou isolant et est appliqué sous la forme d'une mince couche solide semi-conductrice ou isolante sur un support de substrat, l'ordre de grandeur de la concentration Nt des impuretés dans le corps solide étant, dans les deux modes de réalisation, c'est-à-dire qu'il s'agisse d'un disque ou d'une couche mince, telle que la valeur de seuil de l'intensité de champ donnée par 13 ZS2570515 l'égalité (IV) E e o.d TFL 2 o Nt r o soit inférieure à ce que lion appelle l'intensité de champ critique et qui dépend du matériau utilisé. 3 - Commutateur électro-optique à corps solide selon la revendication 2, caractérisé en ce que le disque solide ou la couche mince solide qui forment l'élément de commuta- tion sont, en plus, associés à un phbotoconducteur indépen- dant de la tension, ces deux éléments étant montés en série et pouvant être constitués par le même matériau9 ou en ce que le photoconducteur est intégré directement à une surface du corps solide et doit;tre considéré comme faisant partie intégrante du commutateur électro-optique à corps solide et peut encore être augmenté d'au moins une diode à lumi- nescence dont le rayonnement est dirigé uniquement sur le commutateur électro-optique à corps solide et non pas sur le photoconducteur monté en série. 4 - Commutateur électro-optique A corps solide selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps solide ou la mince couche solide sont munis9 n to%0 talité ou en partie, dans une disposition en sanddwich9 de contacts bons conducteurs de l'électricité ou en ce que des contacts bons conducteurs de l'électricité recouvrent complètement ou partiellement le corps solide ou la mince couche solide jusqu'à un anneau ne comportant pas de cen- tacts ou Jusqurà une zone ne comportant pas de contacts0 - Commutateur électro-optique à corps solide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ éloc- trique appliqué au commutateur électro-optique provient d'une tension continue ou d'une tension continue à impul- sions et en ce que ce commutateur électro-optique peut, en plus, à la température ambiante (c'est-à-dire 293 K), être refroidi ou réchauffé. 14 2570515 6 -Corps slideéectxo-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie de rayonnement h nécessaire à l'abaissement de courte durée de la résistivité ou au remplissage des impuretés peut être réalisée simultanément par des photons d'une courte impulsion de rayonnement laser ou de rayonnement optique, par un rayonnement ionisant, par un rayonnement de particules ou par plusieurs sources de rayonnement simultanément et en ce que cet apport d'énergie est tel que l'énergie d'excitation permet le passage des porteurs de charge depuis des bandes occupées jusque dans la bande de conduction. 7 - Corps solide électro-optique selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que l'énergie de rayonnement né- cessaire A l'action de commutation peut lui être fournie par rayonnement direct par l'intermédiaire d'une fibre de verre ou par l'intermédiaire d'un conducteur d'ondes optique. 8 - Commutateur électro-optique à corps solide selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, pour l'obtention de durées d'augmentation extrêmement courtes, il constitue une partie simple ou multiple de ce que l'on appelle un dispositif conducteur d'ondes et en ce que la résistance électrique du commutateur électro-optique dans son état d'ouverture est inférieure ou égale à la résistance d'impédance. 9 - Commutateur électro-optique à corps solide selon l'une des revendications 1 à 6 et 8, caractérisé en ce qu'il est monté dans un système constitué par plusieurs commutateurs électro-optiques. corps solides ou qu'il comporte plusieurs dispositifs de contact placés sur un substrat de grande surface d'un corps solide, ces commuta- teurs électro-optiques à corps solides pouvant fonctionner simultanément ou indépendamment les uns des autres, et en ce que ce dispositif peut être associé à d'autres moyens auxiliaires pour le traitement d'informations ou pour la commande de réglage ou l'affichage d'informations.