Brevet FR2577717A1 — publié le 19860822

La présente invention est relative au domaine de l'optique électronique, notamment à la commutation et à la commande rapides de dispositifs à semi-conduc- teurs solides au moyen d'impulsions laser de l'ordre de la picoseconde. Les types connus de commutateurs d'optique à semi-conducteur électronique actives au moyen d'impul- sions laser de l'ordre de la picoseconde se répartissent essentiellement entre trois groupes principaux. Dans le premier groupe, la conductibilité élec- trique de matériaux semi-conducteurs de forte résistance ohmique (par exemple le silicium) est augmentée pendant un court laps de temps au moyen d'une impulsion laser de l'ordre de la picoseconde, c'est-à-dire par effet photo- électrique intérieur ( US-PS 3 917 943, HOlJ, 39, 12). Ces commutateurs à semi-conducteur sont passants nendant tout le temps que dure leur état dans lequel la conducti- bilité est augmentée, c'est-à-dire qu'ils laissent passer davantage de courant. Lorsque la conductibilité cesse d'être plus élevée, le commutateur revient à son état initial de moindre conductibilité, ce qui fait que le commutateur est bloqué. Il est donc possible, en princi- pe, de transformer de courtes impulsions laser en courtes impulsions électriques. L'inconvénient de ces disposi- tifs de commutation à semi-conducteur optique électro- nique consiste en ce que les amplitudes atteintes pour les impulsions de tension sont relativement faibles et que, de plus, des phénomènes d'instabilité thermique peu- vent provoquer une rupture en cascade. Pour obtenir une efficacité de commutation de 95%, il faut faire en sorte que l'intensité du rayonnement laser soit supérieure ou égale à 100 pJ/cm2 pour des énergies de photon de l'or- dre de grandeur de la largeur de la bande interdite du matériau semi-conducteur utilisé. Le deuxième groupe de commutateurs à semi-con- ducteur pour optique électronique comprend les commuta- teurs à semi-cpnducteur fonctionnant sur le principe de "l'effet d'avalanche" (US-PS 4 218 618; 4 301 362, HOlJ, 40/14). Dans ce cas, un matériau semi-conducteur de-forte résistance ohmique, par exemple du GaAs dopé au Cr, est soumis, à des températures basses (par exem- ple 77 K), à des champs électriques intenses. L'éclai- rement avec une courte impulsion laser de faible inten- sité de rayonnement provoque, en plus, la formation de porteurs de charge libres qui, placés dans les conditions d'un champ électrique puissant, sont accélérés et abou- tissent à "l'effet d'avalanche". Il est alors possible d'obtenir ou de commuter de fortes impulsions de ten- sion pour des intensités laser inférieures à 100 pJ/cm2. L'utilisation de "l'effet d'avalanche" ne constitue ce- pendant pas une solution optimale, car les commutateurs à semi-conducteur pour optique électronique fonction- nant suivant ce principe ne peuvent être mis en oeuvre qu'à basses températures (770K environ). Un troisième groupe de commutateurs à semi- conducteur d'optique électronique comprend tous-ceux qui fonctionnent au moyen de courants limités en charge d'espace (effet SCLC) (DDWP/HOlJ/2673361). Dans ces commutateurs à semi-conducteur d'optique électronique, l'action de commutation est provoquée par la superpo- sition de la photoconduction et de l'effet SCLC. Dans les types de commutateurs connus, il faut prendre des dispositions supplémentaires pour empêcher le claquage automatique du champ électrique par la dis- tance d'éclatement sans contact (gap). Une diminution de l'intensité du champ électrique ou une augmentation de la distance d'éclatement empêchent évidemment le cla- quage, mais réduisent d'autant l'amplitude de signaux maximale possible et la durée d'accroissement de l'impul- sion électrique. La formation sans pertes et le couplage du signal électrique dans les canalisations de transmission ultérieures s'avèrent difficiles, car la résistance glo- hale des commutateurs à semi-conducteur d'optique électro- nique peut être grande, pendant la phase de commutation, par rapport à l'impédance des canalisations de transmis- sion en question. Les commutateurs à semi-conducteur connus pour optique électronique ne permettent que des commutations à modification d'amplitude positive, c'est-à-dire des opérations d'enclenchement. Le but de l'invention est la réalisation d'un commutateur à semi-conducteur rapide pour optique élec- tronique qui permette la commande de processus chronolo- giquement très distincts avec des impulsions allant de quelques centaines de volts au kilovolt. Le but de l'invention est, en utilisant un corps semi-conducteur de forte résistance ohmique sus- ceptible d'être activé par rayonnement et une forte tension qui lui est appliquée, de transformer un rayon- nement électromagnétique à impulsions en impulsions électriques et de disposer sur le corps semi-conducteur les conducteurs électriques nécessaires de telle manière qu'aucune disposition supplémentaire ne soit nécessaire pour augmenter la stabilité de la tension ou pour com- penser les résistances entre les contacts. Ce but est atteint, suivant l'invention, du fait que d'abord comme dans les solutions déjà connues, on utilise un semi-conducteur monté généralement en sandwich, d'épaisseur d, de forte résistance ohmique et sensible à un rayonnement électromagnétique, qui contient au moins une sorte de concentration dominante d'impuretés Nt de section de capture Ot' dont le produit limite la durée de vie des porteurs de charge libres dominants d'après la relation suivante: = l/Nt 0. vth (vth désigne la vitesse thermique du type de porteurs de charge déterminé par Y). Le champ électrique nécessaire dans le semi- conducteur est produit par une tension électrique qui est amenée par des conducteurs électriques au semi- conducteur dans des conditions telles que ces conduc- teurs sont disposés sur des surfaces opposées du semi- conducteur, les surfaces de contact. Les conducteurs électriques, qui.sont consti- tués par des pistes de contact, n'aboutissent chacun qu'à l'emplacement d'irradiation, comportent dans cette zone un saut et se continuent sur la face arrière du commutateur à semi-conducteur pour optique électronique. Cette disposition permet une irradiation de l'emplace- ment de saut sur la face avant et la face arrière du semi- conducteur, ces irradiations pouvant être simultanées ou successives. Comme on le sait, la distance séparant les deux conducteurs électriques dans la zone d'irradiation d détermine l'intensité E du champ électrique. Cette disposition des conducteurs et des con- tacts ne produit en principe cette limitation Z que par l'intensité du champ et non pas en ce qui concerne le contournement d'amorçage. La tension nécessaire au commutateur est déterminée aussi bien par l'épaisseur du solide que par l'effet de commutation proprement dit. Dans le cas de servo-conducteur de faible ré- sistance ohmique, l'action de commutation s'obtient par la rapidité de la photoconduction et dans le cas de semi-conducteur de forte résistance ohmique elle s'obtient par superposition de la photoconduction et de l'effet de charge spatiale.- Le refroidissement du semi-conducteur et l'augmentation des champs électriques créent les con- ditions d'une commutation fondée sur l'effet d'avalanche. Pour réduire la résistance entre les conduc- teurs et le semi-conducteur, c'est-à-dire ce que l'on ap- pelle la résistance de contact, on utilise un fil conduc- teur mince inséré dans le semi-conducteur ou fixé, par au moins une pièce de maintien à distance isolée, à l'em- placement d'irradiation ou des deux côtés des surfaces de contact. Les dispositifs de commutation à semi-conduc- teur pour optique électronique suivant l'invention per- mettent de réaliser également des commutations en série. Un déclenchement de fortes tensions pendant un court laps de temps s'obtient du fait que le côté d'ir- radiation et le côté opposé comportent chacun une piste de contact, électriquement conductrice d'un bout à l'au- tre, ces pistes étant disposées de manière à se croiser. Ces extrémités de conducteurs sont reliées par la résis- tance R. Dans le cas normal, c'est-à-dire sans rayon- p nement, le passage d'un courant produit une chute de tension à la résistance R tant que l'intensité du champ P électrique ne provoque pas d'action de commutation entre les deux conducteurs. Mais, si la zone des pistes de contact croisées est soumise à un rayonnement, la super- position du champ électrique et de l'activation électro- magnétique permet d'obtenir une action de commutation qui court-circuite la résistance R p, de sorte que la chute de tension en R disparaît pendant la durée de P l'action de commutation. L'invention est décrite ci-dessous d'une maniè- re plus détaillée au moyen d'exemples de réalisation en se référant au dessin. Les fig. 1 à 3 sont des perspectives schémati- ques illustrant trois exemples de réalisation. La fig. 4 est une perspective d'un détail de réalisation. Les fig. 5 à 7 sont des coupes schématiques illustrant des caractéristiques particulières. Le commutateur à semi-conducteur pour opti- que est constitué par un solide 1, la, lb monocristallin ou amorphe de forte résistance ohmique ou par une cou- che mince de ce corps semi-conducteur. L'activation du commutateur à semi-conducteur pour optique électro- nique est obtenue par exemple par une impulsion laser (Nd - YAG modelocked SHG) ayant une durée d'impulsion moyenne de 10 ps et une énergie d'impulsion moyenne de l'ordre duJ ou uJ/cm pour une longueur de 530 nm. Pour la réalisation d'une impulsion électrique, il faut, en dehors de l'activation par un rayonnement électroma- gnétique, une tension électrique qui est appliquée au semi-conducteur par des conducteurs électriques. Ces conducteurs sont, par exemple, des pistes de contact 2, 3 et 5, électriquement conductrices, qui sont dispo- sées sur des surfaces de contact opposées, de telle ma- nière que, dans la zone d'irradiation, elles comportent un emplacement de saut qui correspond à la distance entre les extrémités de pistes de contact ou à l'épaisseur du corps semi-conducteur ou de la couche mince de semi-con- ducteur, lorsque ces pistes de contact sont en forme de sandwich. Les extrémités d'origine des pistes de con- tact sont reliées aux canalisations coaxiales 8 et 9. Les pistes de contact ohmiques peuvent être réalisées par exemple par dépôt de vapeurs de métal en fines cou- ches dont les dimensions géométriques (largeur et épais- seur de couche) doivent correspondre aux qualités exigées d'un conducteur d'ondes. Pour réduire les résistances de contact, on peut remplacer les pistes de contact par des fils métalliques bons conducteurs de l'électricité qui sont insérés dans le semi-conducteur par une entail-_ le ou par tout autre moyen, ou encore sont électriquement séparés du semiconducteur par des pièces de maintien à distance isolantes 15 ou par des couches isolantes 16, comme l'indiquent les fig. 5 à 7. Le fonctionnement du commutateur à semi-conduc- teur d'optique électronique suivant l'invention est le suivant. -Sur les fig. 1 à 3, la référence 6 désigne la source de tension, la référence 7 désigne une résis- tance antérieure assurant la limitation du courant et la référence 8 désigne une canalisation coaxiale servant de câble de charge. Au moyen du câble de transmission coaxial 9, le signal électrique résultant de l'action d'enclenchement est envoyé à la sortie 10 ou à la résis- tance de charge 11 qui est en général de 50 Q. ou de -Q. Dans l'exemple de réalisation représenté à la fig. 1, l'activation du commutateur à semiconducteur d'optique électronique est assurée par une courte impul- sion laser 4 qui arrive sur la zone de l'extrémité de piste de contact supérieure. L'activation peut égale- ment résulter du fait que, simultanément ou avec un cer- tain retard, une autre impulsion laser arrive sur la surface de contact inférieure, c'est-à-dire en sens in- verse du rayonnement de 4. La superposition du champ électrique appliqué au semi-conducteur et de l'impulsion unique ou double arrivant sur le semi-conducteur provo- que l'émission d'un signal électrique dont la durée est déterminée par le câble de charge 8 ou par la durée de vie t des porteurs de charge libres. Comme on le sait, cette constante de temps est déterminée (voir égalité 1) aussi bien par la concentra- tion des impuretés que par la valeur de la section de capture du type d'impuretés dominant. La concentration d'impuretés nécessaire à l'ac- tion de commutation peut être réglée par dopage et/ou par réalisation d'un écart stoechiométrique. Comme maté- riau répondant aux critères imposés à un commutateur à semi-conducteur pour optique électronique, on peut citer par exemple l'iodure double de mercure (Hg I2). Les monocristaux obtenus à partir de ce matériau ont une forte résistance ohmique et peuvent être activés aussi bien optiquement que par impulsions de rayonnement nu- cléaire. La résistance réglable spécifique est de 1014 XL cm et l'indice de réfraction est de 2,71. Les pistes de contact peuvent être réalisées par dépôt de vapeurs de palladium en couches minces et-comme conduc- teurs les fils de nickel donnent des résultats particu- lièrement satisfaisants. La courte durée de vie moyenne des porteurs de charge excités qui est nécessaire à une action de commutation s'obtient par exemple au moyen d'impuretés du type donateur avec les paramètres sui- vants: concentration d'impuretés delO3 à 1016cn-3, section de capture d'électrons de 10 - 13cm2 environ et profon- deux énergétique de 0,9 eV (rapporté à la bande de con- duction). Les fig. 2 et 3 représentent deux commutateurs à solides pour optique électronique montés en série. Sur la fig. 3, la référence 13 désigne l'entre- fer ou une couche isolante qui ne sont pas nécessaires lorsque la longueur L de la piste de contact est supé- rieure ou égale à d et que, par conséquent, une inter- férence des champs électriques est exclue. Dans le cas de la fig. 1, l'action de commuta- tion s'obtient par exemple du fait que, par suite des impulsions de rayonnement, l'emplacement de saut entre les extrémités de pistes de contact qui, sans cela, au- rait une forte résistance ohmique, n'a plus qu'une faible résistance ohmique, ce qui permet une impulsion de cou- rant. - Dans le cas des fig. 2 et 3, le solide la sert de commutateur. Cela signifie que, pendant tout le temps que dure l'état passant, la tension appliquée au semi- conducteur lb s'élève à des valeurs telles que l'on peut alors obtenir une action de commutation de courte durée. Dans le cas de la fig. 4, sans irradiation, le courant passe par la résistance 14, de sorte que pen- dant la durée du courant constant une tension constante est appliquée. Si la zone des pistes conductrices croisées est soumise à un rayonnement, le courant passe, pendant la durée de l'action de commutation, entre les points d'intersection des deux pistes conductrices et la chute de tension en R disparaît pendant le temps que dure p l'état de commutation. Cette situation permet également l'émission d'un signal électrique court ou la commande d'une cellule de Pockel. REVENDICATIONS 1 -Conimutateur à semi-conducteur pour optique électronique constitué par un semi-conducteur de forte résistance ohmique, susceptible d'être activé par un rayonnement électromagnétique, qui contient, entre la bande de valence et la bande de conduction, au moins une sorte d'impuretés dominante, caractérisé en ce que les conduc- teurs électriques qui sont nécessaires à la formation d'un champ électrique produisant une impulsion de cou- rant dans le semi-conducteur et permettant l'applica- tion d'une tension de commutation sont disposés sous forme de pistes de contact,sur les surfaces opposées du semi-conducteur, l'activation des porteurs de charge s'effectuant sur une surface ou successivement ou avec retard sur des surfaces opposées dans la zone des pistes de contact opposées. 2 - Commutateur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il comporte, sur les surfaces de contact du semiconducteur, des pistes de contact, au nombre d'une au moins par surface, qui vont d'un bout à l'autre, sont disposées de manière à se croiser, sont reliées par une résistance, court-circuitent cette même résistance pendant la durée de l'action de commutation et, de ce fait, y produisent un signal de mesure, de commande et/ou de réglage. 3 - Commutateur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les conducteurs électriques sont constitués par des pistes de contact comportant, dans la zone d'irradiation, un emplacement de saut donné par l'épaisseur du semi-conducteur. 4 - Commutateur selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins deux commutateurs à semi-conducteur accordés l'un à l'autre pour leur ac- tivation de porteurs de charges sont montés en série de telle manière que la piste de contact de sortie de l'un des commutateurs à semi-conducteur est identique à la piste de contact d'arrivée de celui qui le suit immédia- tement. - Commutateur selon l'une des revendications 1, 3 ou 4, caractérisé en ce que la piste de contact qui relie les commutateurs à semi-conducteur est place sur des surfaces différentes. 6 - Commutateur selon l'une des revendications 1, 3 ou 4, caractérisé en ce que-la piste de contact reliant ensemble les commutateurs à semi-conducteur pour optique électronique est disposée sur des surfaces égales. 7 - Commutateur selon l'une des revendications 1, 3, 4 ou 6, caractérisé en ce que les blocs de semi- conducteur sont séparés par un entrefer ou une couche isolante. 8 - Commutateur selon l'une des revendications 1, 3, 4 ou 6, caractérisé en ce que deux systèmes de pistes de contact sont disposés sur un bloc de semi- conducteur, la distance entre deux pistes de contact qui se trouvent sur la même surface étant grande par rapport à l'épaisseur du semi-conducteur.