FR2633730A1 - Dispositif de visualisation de radiations thermiques et systemes comportant de tels dispositifs - Google Patents

Abstract

Entre les électrodes de polarisation espacées d'un dispositif de visualisation de radiations thermiques, une source de courant continu de polarisation est connectée afin de faire circuler un courant de polarisation dans le corps du dispositif constitué de préférence par du tellurure de mercure cadmium de type n. Le courant de polarisation alimente une dérive ambipolaire de porteurs de charges minoritaires engendrées par la radiation (trous) dans la direction opposée. Le dispositif est utilisé dans un système dans lequel l'image de radiation est balayée à travers le corps du dispositif dans la même direction et à la même vitesse que la vitesse de dérive ambipolaire. Au lieu d'une simple électrode de lecture, on peut avoir un système plus sophistiqué présentant de meilleures performances en distribuant entre des électrodes espacées de polarisation un certain nombre d'électrodes de lecture chacune formant une barrière de Schottky ou jonctions pn avec le matériau du corps.

Description

"Dispositifs de visualisation de radiations thermiques et systèmes

comportant de tels dispositifs"

La présente invention se rapporte à un dispositif de visua-

lisation de radiations thermiques et à un système de visualisa-

tion de radiations thermiques, comprenant un corps semiconducteur

d'un type donné de conductivité dans lequel des porteurs de char-

ges -libres peuvent être engendrés par l'absorption de radiations

comprises dans une certaine gEmme de longueurs d'ondes, des élec-

trodes polarisées et espacées placées sur le corps par lesquelles un courant de polarisation constitué d'une façon prédominante par des porteurs de charges majoritaires peuvent circuler dans

le corps dans une direction préférée et parallèlement à une sur-

face principale dudit corps, ledit courant de polarisation étant en mesure d'alimenter une dérive ambipolaire de porteurs de charges minoritaires libres engendrés par la radiation dans une direction opposée, le fonctionnement du dispositif étant tel qu'une image formée par la radiation est balayée à travers une surface principale du corps semiconducteur dans la même direction que

la dérive ambipolaire et à une vitesse correspondant substantiel-

lement à la vitesse de dérive ambipolaire.

Les systèmes de visualisation thermiques sont utilisés pour convertir une image de radiations convergentes, principalement dans la région du spectre infrarouge, constituées par des différences de température et d'émissivité thermique parmi une scène donnée, en une image visible. Jusqu'à présent, on a employé couramment des systèmes

dans lesquels l'image est balayée région par région sur un ou plu-

sieurs éléments détecteurs qui transforment la radiation infrarouge

en un signal électrique. Lorsqu'on utilise un certain nombre d'élé-

ments détecteurs ils sont communément montés en réseaux linéaires et le balayage peut être soit tel que chaque élément sélectionne une partie distincte de la mnme image-mode appelé "balayage parallèle" - ou bien chaque région de l'image est concentrée à tour de r6le

sur chaque élément -mode appelé "balayage série"-. Dans les deux sys-

tèmes le fait qu'il y ait un réseau linéaire d'éléments signifie que chaque élément doit être individuellement muni de contact. Pour de

de grands réseaux, ceci donne lieu à des problèmes technologiques con-

sidérables lors de la fabrication, non seulement des éléments eux-

memes mais aussi de leur enrobage, particulièrement du fait que de nombreux dispositifs détecteurs sont fabriqués pour fonctionner à basse température, par exemple 77 K, et doivent être montés dans

une enveloppe sous vide elle-même traversée par les conducteurs con-

neetant lesdits éléments individuels afin de les relier au circuit

externe qui normalement n'est pas refroidi.

Un dispositif et système de visualisation de radiations ther-

miques ayant les caractéristiques mentionnées ci-dessus est dé-

crit dans la demande de brevet britannique 1 488 258 publiée le 12 octobre 1977. Ces dispositifs et systèmes permettent d'éviter quelques uns des inconvénients inhérents au système à balayage série ou parallèle de l'art antérieur qui employait des réseaux

linéaires d'éléments détecteurs; ils fournissent en outre la pos-

sibilité d'obtenir une performance accrue sur les systèmes exis-

tants. Le système décrit utilise un seul élément filamentaire de matériau semiconducteur sensible à l'infrarouge dans lequel des porteurs de charges peuvent être engendrés par l'absorption de

radiations à l'intérieur d'une certaine gamme de longueurs d'on-

des. Des contacts ohmiques espacés montés aux extrémités opposées du corps permettent la production d'un courant de polarisation dans la direction longitudinale du corps et l'alimentation d'une dérive en bipolaire de porteurs de charges minoritaires libres engendrés par ladite radiation le fonctionnement est basé sur le balayage d'une image de radiation le long de la surface du corps entre les contacts dans la même direction que les porteurs de charges minoritaires et à une vitesse correspondant à leurs

vitesses de dérive en bipolaire. Les moyens de lecture sont four-

nis vers une extrémité du corps soit sous forme d'une paire de

contacts ohmiques soit sous forme d'un contact de jonctions re-

dresseur et d'un contact ohmique. Dans le premier cas, le signal image est obtenu entre la paire de contacts ohmiques en fonction de la modulation de conductivité qui se produit dans la région

du corps entre la paire de contacts ohmiques d e au passage des por-

teurs minoritaires engendrés par la lumière à travers cette ré-

gion. Lorsqu'on utilise un contact de jonction redresseuse et un contact ohmique pour la lecture, le signal image est obtenu du

circuit de sortie qui comprend ces contacts, la jonction redres-

seuse étant soit non polarisée ou polarisée en sens inverse et par suite elle forme un trajet d'extraction pour les porteurs minoritaires.

Pour que dès dispositifs tels qu'ils sont décrits dans le-

dit brevet britannique 1 488 258 fonctionnent correctement il

est absolument nécessaire que la longueur active du corps, c'est-

à-dire la longueur ou le balayage de I'image produit efficacement un signal de sortie et que l'emplacement des moyens de lecture

soit tel que les porteurs minoritaires engendrés par le rayonne-

ment dans la dérive ambipolaire atteignent les moyens de lecture

dans un temps inférieur à la durée moyenne de recombinaison élec-

tron-trou du matériau semiconducteur. Ceci entraîne certaines li-

mitations sur la longueur active du corps, la séparation des élec-

trodes de lecture et le choix du matériau semiconducteur. En ce qui concerne le matériau lui-même il faut qu'il ait comme propriétés une

durée de vie des porteurs minoritaires très longue et une faible vi-

tesse de recombinaison en surface. Lorsqu'on utilise le tellurure de mercure cadmiu on choisi du matériau de type n du fait que dans un tel matériau le rapport de la mobilité des électrons par rapport -au

trou puisse être entre 50 pour 1 et 400 pour 1.

La présente invention est basée sur le fait que lorsqu'on utilise plusieurs moyens de lecture à diode il est possible de fabriquer des systèmes considérablement plus sophistiqués dont le

fonctionnement est semblable à celui décrit dans le brevet britan-

nique 1 488 258 déjà cité, lesdits systèmes et dispositifs permet-

tant d'obtenir des avantages significatifs au point de vue fonc-

tiofnement et performance.

Suivant l'un des aspects de l'invention, on réalise un dispo-

sitif de visualisation de radiations thermiques comprenant un corps

semiconducteur d'un type de conductivité donné dans lequel des por-

teurs de charges libres peuvent être engendrés par l'absorption

de radiations comprises dans une oertaine gaminme de longueurs d'on-

des, des électrodes de polarisation espacées sur le corps grâce

auxquelles un courant de polarisation constitué d'une manière pré-

dominante par des porteurs de charges majoritaires circulent dans

le corps dans une direction préférée et parallèlement à une sur-

face principale du corps, ledit courant de polarisation étant en mesure d'alimenter une dérive ambipolaire de porteurs de charges

minoritaires libres engendrés par la radiation dans le sens oppo-

sé, le dispositif étant prévu pour fonctionner lorsque une image de radiation est balayée à travers une surface principale du corps semiconducteur dans le même sens que la dérive ambipolaire

et à une vitesse qui correspond pratiquement à la vitesse de déri-

ve ambipolaire, caractérisé en ce qu'il comporte un certain nom-

bre d'électrodes de lecture comprenant chacune des moyens formant une barrière redresseuse avec le matériau du corps d'un type de

conductivité donné, lesdites électrodes de lecture étant répar-

ties dans le trajet de dérive ambipolaire entre les électrodes

de polarisation.

Suivant un autre aspect de l'invention, on réalise un sys-

tème de visualisation de radiations thermiques comprenant un corps semiconducteur d'un type de conductivité donné dans lequel

des porteurs de charges libres peuvent être engendrés en absor-

bant des radiations comprises dans une certaine gamme de longueurs d'ondes, des électrodes de polarisation espacées sur le corps

grâce auxquelles un courant de polarisation constitué d'une maniè-.

re prédominante par des porteurs de charges majoritaires peut cir-

culé sur le corps dans une direction préférée et parallèlememt à une surface principale du corps, ledit courant de polarisation étant capable d'alimenter une dérive ambipolaire de porteurs de charges minoritaires libres engendrés par la radiation dans le sens opposé, ainsi que des moyens destinés à balayer une image de radiations thermiques à travers ladite surface principale du

corps semiconducteur dans le mnême sens que la dérive ambipolai-

re et à une vitesse correspondant substantiellement à la vitesse

de dérive ambipolaire caractérisé en ce que sont prévus un cer-

tain nombre d'électrodes de lecture formant chacune une barrière redresseuse avec le matériau du corps d'un type de conductivité donné, lesdites électrodes de lecture étant réparties dans le

trajet de dérive ambipolaire entre les électrodes de polarisa-

tion. Dans les dispositifs et systèmes conformes à l'invention, la présence de plusieurs moyens de lecture, comprenant chacun

une barrière redresseuse permet de faire des progrès considéra-

bles en ce qui concerne les possibilités opérationnelles qui

vont être décrites ci-après en se référant aux divers modes de réa-

lisations spécifiques. L'obtention de tels avantages est dû princi-

palement au fait que lorsqu'on incorpore une barrière redresseuse à des électrodes de lecture, un signal venant du circuit de sortie

qui lui est connecté peut être représentatif de la valeur instanta-

née des porteurs minoritaires extraits par la barrière redresseuse de la dérive ambipolaire au voisinage de la barière redresseuse qui, lors du fonctionnement, peut être dans une condition soit non polarisée soit polarisée en sens inverse. La position d'une telle barrière redresseuse par rapport à l'électrode de polarisation n'est pas déterminante dans la mesure ou l'impédance de la barrière

redresseuse est grande par comparaison avec la résistance de la par-

tie du corps comprise entre la barrière redresseuse et la connection

de l'électrode sur le corps qui est maintenue en un potentiel de ré-

férence, par exemple celui des électrodes de polarisation. Toutefois la longueur d'une portion de la surface du corps semiconducteur qui precède la barrière redresseuse et sur lequel l'intégration totale des porteurs de charges minoritaires libres engendrés dans ladite portion par le balayage d'une image sur ladite portion dans sa direction longitudinale peut être effectuée, est limitée à une distance efficace Leff de la barrière redresseuse ou Leff= effef

E/ua expression dans laquelle est la durée de vie des por-

teurs minoritaires dans le matériau semiconducteur E, est le champs électrique et /ua est la mobilité ambipolaire propre au matériau semiconducteur et ceci habituellement est voisin de la mobilité des porteurs minoritaires. Ceci doit être pris en considération lorsqu'on positionne les électrodes de lecture dans les différents modes de

réalisation du dispositif qui sera décrit ci-après.

Dans un dispositif conforme à l'invention, lesdites électro-

des de lecture peuvent comprendre chacune une région adjacente à la surface ayant des propriétés de type de conductivité opposés, grâce auxquelles lors du fonctionnement les porteurs de charges

libres engendrés par la radiation, présents dans le trajet de dé-

rive ambipolaire au voisinage de ladite région adjacente à la surface, peuvent être extraits grâce à la barrière redresseuse formée entre la région adjacente à la surface et le matériau du corps du type de conductivité donné. Par exemple lorsqu'on utilise

un corps au tellurure de mercure cadmium de type n, lesdites élec-

trodes de lecture peuvent comprendre un certain nombre de régions adjacentes à la surface ayant des propriétés de type p.

Dans d'autres modes de réalisation du dispositif, la barrié-

re redresseuse peut être différente, par exemple les électrodes de lecture peuvent comprendre chacune une couche métallique sur le corps semiconducteur formant une barrière de Schottky avec le

matériau du corps semiconducteur.

Dans le présent texte, lorsqu'on se réfère à une région ayant des propriétés d'un certain type de conductivité, il doit

être entendu que la région ne doit pas nécessairement faire preu-

ve desdites propriétés à la température ambiante mais le fait né-

cessairement à la température prévue pour le fonctionnement du dispositif. De la même façon lorsqu'on fait référence à un corps

semiconducteur ayant un type de conductivité donné, la même inter-

prétation s'applique. Dans le cas particulier du tellurure mercu-

re de cadmium de type n utilisé pour le corps semiconducteur, la

température prévue du fonctionnement du dispositif étant 77eK, la.

présence d'une barrière redresseuse entre le corps et une telle région faisant partie d'une électrode de lecture peut ne pas être

apparente à la température ambiante.

Dans un mode de réalisation particulier d'un dispositif se-

lon l'invention, un certain nombre d'électrodes de lecture sont prévues à des intervalles donnés le long d'une ligne qui s'étend dans la même direction que ladite dérive ambipolaire entre les moyens de polarisation. Ce dispositif peut être considéré conmme un réseau linéaire multiple monolithique et dans un tel dispositif on constitue dans un seul corps l'équivalent d'un certain nombre de dispositifs qui sont utilisés d'une façon séquentielle. Dans le présent dispositif, on peut obtenir un avantage signal/bruit correspondant à l'intégration signal/bruit sur substantiellement la longueur totale du corps semiconducteur entre les électrodes de

polarisation et non simplement une longueur Leff-

Dans un mode de réalisation particulier du dispositif linéaire

multiple monolithique, la distance dans le sens de la dérive ambipo-

laire entre une électrode de lecture et une électrode précédente

est au maximum trois fois la distance moyenne sur laquelle les por-

teurs de charges minoritaires libres engendrés par la radiation

peuvent passer dans une durée de vie dans le matériau semiconduc-

teur et de préférence ont la choisit de l'ordre de la distance Leff sur laquelle l'intégration de la plupart des porteurs de charges minoritaires libres engendrés par la radiation pendant le passage d'une image de radiation sur la surface peut se produire sans recombinaison. De eette manière, l'intégration du signal

peut s'effectuer sur la majeure partie de la longueur du filament.

Toutefois, la distance particulière entre une électrode de lecture et

l'électrode précédente doit être choisie en fonction des proprié-

tés du matériau du corps semiconducteur, en particulier la gamme

de longueurs d'ondes à laquelle ce matériau est sensible. Ceci par-

ce que l'on désire éviter un brouillage de l'image dû à la disper-

sion vers l'extérieur qui se produit dans un paquet de porteurs de

charges minoritaires libres engendrés par la radiation lorsque le-

dit paquet se déplace vers l'électrode de lecture. Par conséquent dans les matériaux dans lesquels les porteurs minoritaires ont une durée de vie plus longue et par suite une longueur de diffusion plus longue les effets d'un brouillage par diffusion peut plus facilement se produire. C'est lorsqu'on utilise ces matériaux, et par exemple des matériaux dans lesquels la limite d'absorption est dans une fenêtre de 3 à 5 microns, qu'il peut être approprié

de choisir une distance entre une électrode précédente et une e-

lectrode de lecture successive inférieure d'une manière signifi-

cative à la longueur Leff d'intégration maximale et infé-

rieure à la distance moyenne sur laquelle les porteurs de charges minoritaires libres engendrés par la radiation peuvent passés

dans le matériau pendant leur durée de vie.

Le fonctionnement d'un dispositif linéaire multiple monolithi-

que tel que décrit peut être en quelque sorte semblable à celui

décrit dans le ledit brevet britannique sus-mentionné, les si-

gnaux de sortie provenant des électrodes de lecture successives étant alimentés par exemple à une ligne à retard comportant des

prises o à quelque réalisation de circuits à retard et à in-

tégration.

Dans un autre mode de réalisation les signaux de sortie pré-

levés aux électrodes de lecture sont délivrés à des éléments de visualisation commandés directement. Dans d'autres mode d'un

dispositif conforme à l'invention, par rapport à la surface com-

prise entre les électrodes de polarisation, les électrodes de lecture sont réparties dans une direction perpendiculaire à la

direction de la dérive ambipolaire. Un tel montage peut être dé-

signé sous le vocable général de montage parallèle monolithique De cette manière, par exemple, le balayage d'un certain nombre

de lignes d'une image de radiation peut être effectué simultané-

ment, chaque ligne de l'image étant associée à une portion du

corps élémentaire avec laquelle une électrode de lecture est éga-

lement associée. Suivant l'application spécifique les électrodes de lecture peuvent être disposées, par exemple, en au moins une ligne s'étendant dans une direction perpendiculaire à la dérive

ambipolaire ou dans une répartition beaucoup plus complexe.

Dans un mode particulier, les électrodes de lecture sont montées sur deux lignes disposées chacune perpendiculairement à la direction de la dérive ambipolaire, et dans ladite direction

les électrodes d'une ligne étant en alternance avec les électro-

des de l'autre ligne. Dans ce mode de réalisation,le montage à deux dimensions des électrodes de lecture peut correspondre aux

tracés d'éléments de visualisation dans une matrice de visualisa-

lisation connectée au dispositif, chaque élément de visualisation étant excité en fonction du signal représentatif des porteurs de

charges minoritaires intégrés prélevés à l'électrode qui lui cor-

respond au point de vue situation et connection sur le corps semi-

conducteur du dispositif de visualisation. Une telle matrice peut

être examinée avec un système optique qui donne une correspondan-

ce élément par élément au balayage, par exemple en utilisant un

système de prisme. Avec la position en alternance préférée des é-

lectrodes de lecture, un balayage complet de l'espace image peut être obtenu sans espace mort entre les lignes.'

D'autres dispositions combinant les propriétés du réseau li-

néaire multiple et du montage parallèle monolithique peuvent être

nhoisis suivant l'application desirée. Ainsi par rapport à la sur-

face comprise entre les électrodes de polarisation sur laquelle la dérive ambipolaire peut être obtenue, les électrodes de lecture

peuvent être réparties dans une direction parallèle à la direc-

tion de la dérive ambipolaire et dans une direction perpendicu-

laire à la direction de la dérive ambipolaire, par exemple les électrodes de lecture peuvent être réparties suivant un réseau régulier. De tels réseaux à deux dimensions permettent de combiner un balayage série et un balayage parallèle simultanément; un tel fonctionnement généralement appelé balayage en "bloc", est dans

la pratique la forme la plus coemunément usitée pour la visuali-

sation d'images thermiques infrarouge.

Suivant un autre mode de réalisation, le montage géométrique des électrodes de lecture peut être choisi de manière à s'apparier au montage géométrique d'éléments de visualisation d'une matrice

spécifique qui lui est connectée en correspondance, si on le désire.

L'invention sera maintenant mieux comprise grâce aux exem-

ples suivants en se rapportant aux figures diagrammatiques join-

tes dans lesquelles:

La figure 1 est une vue en perspective du corps semiconduc-

teur et des couches correspondantes d'un dispositif de visualisa-

tion de radiations thermiques selon l'invention et sous forme d'un dispositif linéaire multiple monolithique

- La figure 2 est une coupe longitudinale du dispositif repré-

senté sur la figure 1 et prise le long des lignes II-II de la figure 1.;

La figure 3 est une représentation diagramrmatique d'un sys-

tène de représentation d'images thermiques selon l'invention et

comportant un dispositif d'images thermiques sous la forme repré-

sentée aux figures 1 et 2;

La figure 4 est une vue en perspective du corps semiconduc-

teur et des couches correspondantes d'un dispositif de visualisa-

lisation de radiations thermiques selon l'invention et sous forme d'un montage monolithique parallèle;

La figure 5 est une vue plane montrant une partie du disposi-

tif représenté a la figure 4, et an outre une partie des moyens de visualisation qui est connectée au dispositif de représentation

d'images thermiques.

En se reportant maintenant au mode de réalisation tel que re-

'présenté dans les figures 1 à 3, le dispositif comprend un subs-

trat an saphir 1 de 0,5 mm d'épaisseur et dont la surface princi-

pale 2 est de 1 cm x 1 cm. Sur la surface 2 est monté un corps se-

mieonducteur sensiblement rectangulaire 3 de 2,5 mm x 50 micromè-

tres x 10 micrometres d'épaisseur. Le corps 3, qui est fixé à la surface du substrat 2 par une couche 4 d'un adhésif époxy d'une épaisseur sensiblement égale à 0,5 micron, est, dans ce mode de réalisation, un tellurure de cadmium au mercure de type n Hg0.79Cdo 21Te, ayant une concentration de porteurs inférieure

à 5 x 1014cm-3. Dans un matériau répondant à cette composi-

tion, la limite d'absorption à une température de fonctionnement 77 K est à une longueur d'onde d'environ 11,5 microns. Dans ce matériau, l'absorption de la radiation infrarouge dans la fenêtre 8-14 microns produit efficacement des paires électrons-trous, la mobilité des trous à la température prévue de fonctionnement de 770K étant 600 cm2V -lsec-1 et la durée de vie étant de 2,5 microsecondes, la mobilité des électrons est approximativememt

de 2 x 105cm2v 1sec-1-

Sur la surface supérieure du corps semiconducteur 3, il y a

une couche passivante 5 d'environ 0,1 micron d'épaisseur. et com-

prenant principalement des oxydes de mercure, de cadmium et de tellurium. Aux extrémités opposées de la surface supérieure du corps rectangulaire 3, se trouvent les électrodes de polarisation 6 et 7 constituées de couches déposées d'or d'une épaisseur de l'ordre de 1 micron, formant chacune un contact ohmlinique avec la surface du corps semiconducteur. La dimension des électrodes 6 et

7 dans la direction longitudinale du corps 3 est 100 microns.

Adjacentes à la surface 4 du corps, se trouvent 6 régions 8 à 13 ayant chacune des propriétés de type p, ces régions étant

formées par la conversion locale de portions adjacentes à la sur-

face du corps de type n dans le matériau ayant des propriétés de type p. Chaque région 8-13 a une aire d'environ 30 microns x 50

microns, la plus petite dimension étant dans une direction paral-

lèle à la direction longitudinale du corps 3. Les jonctions p-n

entre les régions de type p 8-13 et le corps 3 de type n s'éten-

dent chacune dans le corps 3 jusqu'à une profondeur d'environ 2 microns à partir de la surface supérieure. A leurs extrémités su

la surface supérieure lesdites jonctions pn, dans ce mode de réa-

lisation, sont représentés couvertes par la couche passivante 5

mais, selon la nature de la passivation utilisée et les proprié-

tés de recombinaison de surface, dans d'autres modes de réalisa-

tion on peut désirer enlever une couche passivante dans ces zones

lorsque ladite couche passivante est formée par un procédé compre-

nant l'oxydation du tellurure de cadmium. Dans le présent mode de réalisation se trouvent des ouvertures dans la couche passivante

au-dessus des régions 8-13 de type p, chaque ouverture représen-

tant 40 microns x 20 microns et contenant les couches de contact

métalliques 15-20, chacune formée par une couche d'or de 0,5 mi-

cron d'épaisseur. Les contacts 15-20 avec les régions de surface

8-13 de type p respectives forment une série d'électrodes de lec-

ture, dont le pas est 0,5 min. La distance longitudinale entre les centres d'électrodes de lecture 8-15 et le bord adjacent de la couche 6 d'électrodes de polarisation est aussi 0,5 mim. De même,

la distance longitudinale entre le centre de l'électrode de lec-

ture 13,20 et le bord adjacent de la couche d'électrodes de pola-

risation 7 est aussi 0,5 min. Dans un but de clarté du dessin, les connections électriques

vers les électrodes de polarisation 6 et 7, de même que les con-

nections électriques vers les couches d'électrodes de lecture

-20 ne sont pas représentées sur les figures 1 et 2. Ces con-

* nections peuvent être des fils d'or soudés aux surfaces des cou-

ches d'électrodes ou bien reliés d'une manière conventionnelle.

Le montage ultérieur du dispositif représenté aux figures 1 et 2

sera fonction de l'application spécifique à laquelle on le des-

tine, mais elle comprend normalement le montage du substrat 1

dans une enceinte sous vide ayant une fenêtre pour la transmis-

sion de radiations infrarouges dans la bande 8-14 microns, l'en-

ceinte étant pourvue de moyens destinés à maintenir le corps se-

miconducteur 3 à la température de 77K. Un tel montage peut être une capsule de type Dewar telle qu'usuellement employée dans la

technique de détection infrarouge.

Le fonctionnement du dispositif représenté figures 1 et 2 sera maintenant décrit en référence à la figure 3 qui est une forme diagrammatique d'une partie d'un système de visualisation thermique comprenant un dispositif de la forme représentée aux figures 1 et 2. Dans la figure 3, le corps 3 est représenté sous forme d'une bande longitudinale et les 6 électrodes de lecture

sont représentées corme formant les diodes D1-D6 à des empla-

cements intermédiaires le long de la bande. En série avec les diodes D1D6 ainsi formées se trouvent un certain nombre de résistances R1-R6, chacune de 10 k.ohms. Ces résistances, qui normalement sont placées à l'extérieur de l'enceinte contenant le dispositif de visualisation thermique, sont connectées à des

points de différence de potentiel constante par rapport au poten- tiel des régions de diode correspondante. Suivant un autre mode

de réalisation, la connection peut être telle qu'il y a une ten-

sion inverse d'environ 50 millivolts à travers chaque jonction pn dans le corps 3. Le signal de sortie de chacune des électrodes de lecture est transmis à un étage amplificateur, par exemple un

transistor à effet de champ qui fait partie des moyens de lec-

ture, et représenté grammaticalement dans la figure 3 par

A1-A6. Ces sorties peuvent être reliées à un dispositif à re-

tard et intégration (TDI) formées, par exemple, suivant la

technologie des dispositifs à couplage de charge (CCD). On trou-

vera une description complète de l'utilisation d'un dispositif de

retard et intégration (CCD), susceptible d'être employé conjoin-

tement avec la lecture série d'un réseau d'éléments détecteurs infrarouges monté en série, dans l'article A.F.MILTON "Topics in

applied physics"' volume 19 (Optical and Infra-red Detectors, Edi-

tor R.J.Keyes), page 197-228, Springer-Verlag, 1977.

Le corps semiconducteur 3 de type n est connecté en série, par l'intermédiaire des électrodes de polarisation 6 et 7 avec une source de courant continu de polarisation 21 et une résistance variable 22 telle qu'un courant de polarisation constitué d'une façon prédominante de porteurs de charges majoritaires, dans ce cas des électrons, peut circuler dans le corps dans la direction

longitudinale allant de l'électrode' 7 à l'électrode 6, ledit cou-

rant de polarisation étant en mesure d'alimenter une dérive ambi-

polaire de porteurs de charges minoritaires libres engendrés par la radiation, dans le cas présent des trous, dans la direction opposée. Une gamme convenable de tensions de polarisation entre les électrodes 6 et 7 va de 5 à 15 volts. A une chute de potentiel de 15

volts par cm dans le matériau de type n de ladite composi-

tion, la mobilité ambipolaire est d'environ 400 cmV-lsec-1

Le fonctionnement d'un dispositif de réseau linéaire multi-

ple monolithique, en ce qui concerne le balayage d'une image

de radiation et la convergence d'une image d'une partie élé-

mentaire de l'image sur le corps semiconducteur 3 peut être

semblable en quelque sorte à celui décrit dans le brevet britan-

nique cité. La figure 3 repvéente, d'une manière purement dia-

grammatique la présence de moyens destinés au balayage d'une telle image de radiation thermique à travers la surface supérieure du corps semiconducteur 3 dans le mêmne sens de dérive ambipolaire et à une vitesse qui correspond substantiellement à la vitesse de

la dérive ambipolaire. Ces moyens comprennent une paire de mi-

roirs montés en rotation et un système de lentilles. En fonctionne-

ment des points-image qui sous-tendent une surface d'environ 50

microns x 50 microns dans le plan-image sont déplacés avec une vi-

tesse comprise dans la gamme de 5 000 à 20 OOOcm.sec1 le long de la surface du filament 3. De cette manière, lorsque l'image est balayée le long de la surface du corps semiconducteur à une vitesse correspondant à la vitesse de la dérive ambipolaire, il se produit une intégration des porteurs minoritaires engendrés par les photons dans chacune des régions de type n du corps entre les régions 8-13 de type p. Pour un champ 50 V/cm, cette vitesse -1

de dérive est 20 000 c.sec. Par suite de l'espacement des ré-

gions de type p, égal à 0,5 mm, alors que la longueur efficace

Leff sur laquelle l'intégration totale des trous libres peut s'ef-

fectuer sans recombinaison est 0,4 mm, correspondant à une durée de vie d'un porteur de 2 microsecondes, à chaque passage de l'image sur la distance totale séparant les électrodes de polarisation 6 et 7, il y a 6 étages distincts d'intégration, chacun sur une

longueur voisine de Leff, ce qui doit être comparé à un seul é-

tage d'intégration sur la mêmne longueur dans les dispositifs se-

lon l'art antérieur. Ceci permet d'obtenir un avantage considéra-

ble du rapport signal/bruit.

Dans les conditions ci-dessus, le retard et l'intégration produit par voie interne permet d'augmenter le rapport signal/

bruit d'environ 2,8 fois pour chaque jeu d'électrodes de lectu-

re. Le perfectionnement additionnel dans le rapport signal/bruit d'environ 2,4 fois dû au fait qu'un retard et intégration externe est effectué sur les signaux à partir des 6 diodes de lecture,

permet une amélioration totale dans le rapport signal/bruit d'en-

viron 7 fois par comparaison avec un élnément photoconducteur clas-

sique. En se rapportant maintenant aux figures 4 et 5, on va décrire un autre mode de réalisation d'un dispositif de visualisation thermique et aussi, en se référant plus particulièrement à la figure 5, l'utilisation d'un tel dispositif dans un système de

visualisation thermique.

Le dispositif représenté sur la figure 4 comprend un subs-

trat en saphir 31 de 0,5 mm d'épaisseur ayant une surface prin-

cipale 32 de 0,5 x 0,5 cm. Sur la surface 32, est monté un corps semiconducteur 33 de 1,5 mm x 1,6im x 10 micron d'épaisseur. Le

corps 33, fixé à la surface du substrat 32, par une couche d'ad-

hésif époxy d'environ 0,5 micron d'épaisseur, a la même composi-

tion de base en ce qui concerne le matériau que le corps 3 dans le mode de réalisation précédemment décrit, à savoir du tellurure

de cadmium de mercure dont la composition est Hgo. 79Cdo.21Te.

Sur la surface supérieure du corps semiconducteur 3, se trouve une couche passivante 34 d'environ 0,1 micron d'épaisseur'

et consistant principalement d'oxydes de mercure, cadmium et tel-

lurium. Aux extrémités opposées de la surface supérieure du corps

33 sont disposées des électrodes de polarisation 35 et 36 consti-

tuées par des couches d'or déposées ayant environ une épaisseur d'1 micron, chacune formant un contact ohmique avec la surface du corps semiconducteur. La largeur de chacune des électrode 35 et

36 est 100 microns.

Adjacente à la surface du corps 33, au voisinage de l'élec-

trode de polarisation 36, se trouvent 32 régions, ayant chacune

des propriétés de type p, ces régions ayant été formées par con-

version locale de portions adjacentes à la surface du corps de ty-

pe n dans du matériau ayant des propriétés de type p. Les fron-

tières des régions 37 sont indiquées par les lignes brisées de la

figure 5. Chaque région 37 à une surface de 50 microns x 50 mi-

crons. Les régions 37 sont disposées en deux rangées parallèles suivant une direction normale à la direction dans laquelle une

dérive ambipolaire peut se produire entre les électrodes de po-

larisation 35 et 36. Les régions 37 dans les deux rangées sont

montées en alternance, et distance de pas entre des régions ad-

jacentes dans la même rangée étant 100 microns et les distances de pas entre les régions adjacentes dans les différentes rangées étant aussi 100 microns. Les jonctions pn entre les régions 37 de type p et le corps de type 33 s'étendent dans le corps jusqu'à

une profondeur d'environ 2 microns à partir de la surface supé-

rieure. Au dessus de chacune des régions de type p 37 se trou-

ve une ouverture dans la couche passivante, lesdites ouvertures sont disposées centralement par rapport à la surface des régions

de type p et ont chacune une surface de 40 microns x 40 microns.

Chaque ouverture oemporte une couche de contact métallique 38, constituée par de l'or d'une épaisseur de 0,5 micron. Les contacts

38, avec les régions 37 de type p forment une série de 32 électro-

des de lecture montées en deux rangées parallèles. La distance longitudinale entre les bords de l'électrode de polarisation 36 et les bords des couches métalliques 38 des électrodes de lecture dans la rangée adjacente est 50 microns. Dans un but de clarté des

dessins, les connections électriques vers les couches de polari-

sation 35 et 36 et les connexions électriques vers les contacts métalliques des électrodes de lecture 38 ne-sont pas représentées sur la figure 4. Comme dans le mode de réalisation précédent, ces

connexions peuvent être formées par des fils d'or soudés aux sur-

faces des couches électrodes. Le montage ultérieur du dispositif peut être effectué d'une façon semblable à celle décrite dans le mode de réalisation précédent. Dans le présent exemple, tel que représenté sur la figure 5, les électrodes de lecture en couche de

métal 38, montées en série avec les barrières redresseuses for-

mées entre les régions 37 de type p et le corps 33 de type n sont

directement connectées à une partie des moyens de visualisation.

Ces moyens de visualisation comprennent un réseau monolithique de

32 diodes émettrices de lumière formées dans un corps semiconduc-

teur 41. Les jonctions 42, diodes électroluminescentes, sont re-

présentées par des lignes brisées dans la figure 5 et les con-

tacts 43, couches d'électrodes, sont représentés en traits pleins. Les 32 jonctions:de diode sont montées en deux rangées parallèles et en correspondance avec les électrodes de lecture 38 du dispositif de visualisation auxquelles elles sont connectées individuellement. Normalement le corps 41 sera placé à l'extérieur

de l'enceinte qui contient le dispositif de visualisation thermi-

que.

Le dispositif représenté à la figure 4, peut être utilisé dans un mode de balayage parallèle et étant donné la disposition en alternance des électrodes de lecture dans les deux rangées, l'information d'images dans les 32 lignes peut être enregistré sans qu'il n'y ait un espace intermédiaire entre les lignes. La gamme de tensions de polarisation entre les électrodes 35 et 36 peut être comprise entre 2 et 10 volts, ce qui détermine des champs

entre 13 et 65 volts x sec- 1. Les vitesses résultantes des déri-

ves ambipolaire varient entre 4 000 et 40 000 cm. sect

Dans le système représenté à la figure 5, l'information d'i-

mages sous forme de signaux électriques obtenus à travers le drain

des porteurs de charges minoritaires intégrés dans la dérive am-

bipolaire aux jonctions pn, associées avec les électrodes de lec-

ture 37 et 38, est transférée directement par l'intermédiaire des électrodes de lecture aux diodes 41, 42 émettrioes de lumière montées et connectées en correspondance. Le système comprend en outre des moyens optiques fonctionnant de façon à correspondre l'un, l'autre avec le balayage d'image afin de tranformer la sortie des diodes émettrices de lumière en une image pouvant être

reproduite. On peut reproduire l'image de façon commode en regar-

dant les diodes électro-luminescentes dans le même miroir que ce-

lui utilisé pour produire le balayage d'images. D'une manière

classique, ceci est obtenu en argentant la surface opposée du mi-

roir de balayage afin d'observer les diodes électro-luminescentes.

Comme variante à l'utilisation de diodes électro-luminescentes

connectées directement, on peut connecter d'autres moyens de lec-

ture aux électrodes à couches métalliques 38, par exemple, les en-

trées multiples d'un dispositif à couplage de charges.

On appréciera que de nombreuses modifications sont possibles

dans le cadre de la présente invention, par exemple, comme varian-

te, les barrières redresseuses à l'intérieur du corps de type n peuvent être formées à la surface du corps de type n. Une façon de réaliser une telle structure, consiste à déposer du matériau

de type p sur le corps de type n. Dans un autre mode de réalisa-

tion, les barrières redresseuses sont constituées par des jonc-

tions de Schottky à la surface du corps semiconducteur par des

parties en couches métalliques ayant une fonction appropriée.

Pour le corps de type n en tellurure de cadmium mercure, on peut choisir différemment la composition, par exemple lorsque le dispositif est destiné à visualiser des radiations dans la bande de

3 à 5 microns. Lorsqu'on forme un tel dispositif dans la configu-

ration linéaire multiple des figures 1 à 3,1e pas entre les ré-

gions de type p peut être notablement inférieur à Leff afin

de réduire les effets de diffusion et par conséquent le brouil-

lage des signaux-images obtenus.

Dans les modes de réalisation décrits les corps de type n

sont réalisés conmme des corps entiers qui sont fixés à un subs-

trat isolant. Dans un autre mode de réalisation, le matériau

de type n est constitué par une couche de type n déposée èpita-

xialement, par exemple déposée sur un substrat intrinsèque ou

un substrat de tellurure de cadmium.

On peut utiliser d'autres moyens pour prélever des signaux d'informationimage sur les électrodes de lecture associés avec les barrières redresseuses du dispositif linéaire multiple. Ainsi

un tel moyen a la forme d'une ligne à retard comportant des pri-

ses telles que décrites à la page 216 de l'article de A.F. Milton

dessus référence.

Afin d'éliminer tout porteur minoritaire injecté non désiré

du trajet de dérive ambipolaire adjacent à l'électrode principa-

le de polarisation qui constitue l'anode, on peut consituer une barrière redresseuse supplémentaire adjacente à ladite électrode de polarisation afin de constituer un drain pour de tels porteurs minoritaires et par suite isoler efficacement le premier étage du

trajet de dérive en bipolaire des électrodes de polarisation.

Claims (11)

REVENDICATIONS:

1. Dispositif de visualisation de radiations thermiques com-

prenant un corps semiconducteur d'un type de conductivité donné dans lequel des porteurs de charges libres peuvent être engendrés par l'absorption de radiations comprises dans une certaine gamme de longueurs d'ondes, les électrodes de polarisation espacées sur le corps grâce auxquelles un courant de polarisation constitué

d'une manière prédominante par des porteurs de charges majoritai-

res circulent dans le corps dans une direction préférée et paral-

lèlement à une surface principale du corps, ledit courant de po-

larisation étant en mesure d'alimenter une dérive ambipolaire de

porteurs de charges minoritaires libres engendrés par la radia-

tion dans le sens opposé, le dispositif étant prévu pour fonc-

tionner lorsque une image de radiation est balayée à travers une surface principale du corps semiconducteur dans le même sens que la dérive ambipolaire et à une vitesse qui correspond pratiquement

à la vitesse de dérive ambipolaire, caractérisé en ce qu'il com-

porte un certain nombre d'électrodes de lecture comprenant chacu-

ne des moyens formant une barrière redresseuse avec le matériau du corps d'un type de conductivité donné, lesdites électrodes de

lecture étant réparties dans le trajet de dérive ambipolaire en-

tre les électrodes de polarisation.

2. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce

que les électrodes de lecture comprennent chacune une région ad-

jacente à la surface ayant des propriétés de type de conductivité opposes, grâce auxquelles lors du fonctionnement les porteurs de

charges libres engendrés par la radiation présents dans le tra-

jet de dérive ambipolaire au voisinage de ladite région adjacente

à la surface, peuvent être extraits grâce à la barrière redres-

seuse formée entre la région adjacente à la surface et le maté-

riau du corps du type de conductivité donné.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'un certain nombre d'électrodes de lecture sont prévues à des intervalles donnés le long d'une ligne qui s'étend dans la mmne

direction que ladite dérive ambipolaire entre les moyens de pola-

risation.

4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que

la distance dans le sens de la dérive ambipolaire entre une élec-

trode de lecture et une électrode précédente est au maximum trois

fois la distance moyenne sur laquelle les porteurs de charges mi-

noritaires libres engendrés par la radiation peuvent passer dans

une durée de vie dans le matériau semiconducteur.

5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite distance est inférieure à la distance moyenne sur laquelle

les porteurs de charges minoritaires libres engendrés par la ra-

diation peuvent passer dans le matériau pendant leur durée de vie.

6. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce

que par rapport à la surface comprise entre les électrodes de po-

larisation, les électrodes de lecture sont réparties dans une di-

rection perpendiculaire à la direction de la dérive ambipolaire.

7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que les électrodes de lecture sont disposées en au moins une ligne

s'étendant dans une direction perpendiculaire à la dérive ambipo-

laire.

8. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce

que par rapport à la surface comprise entre les électrodes de po-

larisation sur laquelle la dérive ambipolaire peut être obtenue,

les électrodes de lecture sont réparties dans une direction paral-

lèle à la direction de la dérive ambipolaire et dans une direction

perpendiculaire à la direction de la dérive ambipolaire.

9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que

par rapport à la surface comprise entre les électrodes de polarisa-

tion, sur laquelle on peut obtenir une dérive ambipolaire les élec-

trodes de lecture sont réparties suivant un réseau régulier.

10. Système de visualisation de radiations thermiques comprenant un corps semiemducteur d'un type de conductivité donné dans lequel des porteurs de charges libres peuvent être engendrés en absorbant des radiations comprises dans une certaine gamme de longueurs d'ondes des électrodes de polarisation espacées sur le corps grâce auxquelles un courant de polarisation constitué d'une manière prédominante par des porteurs de charges majoritaires peut circuler sur le corps dans une direction préférée et parallèlement à une surface principale du

corps, ledit courant de polarisation étant capable d'alimenter une dé-

rive ambipolaire de porteurs de charges minoritaires libres engendrés par la radiation dans le sens opposé, ainsi que des moyens destinés à balayer une image de radiations thermiques à travers ladite surface principale du corps semiconducteur dans le même sens que la dérive ambipolaire et à une vitesse correspondant substantiellement à la vitesse de dérive ambipolaire caractérisé en ce que sont prévus un certain nombre d'électrodes de lecture formant chacune une barrière redresseuse avec le matériau du corps d'un type de conductivité

donné, lesdites électrodes de lecture étant réparties dans le tra-

jet de dérive ambipolaire entre les électrodes de polarisation.

11. Système de visualisation de radiations thermiques comportant

un dispositif selon l'une des revendications 6 à 9 et des moyens de

représentation de l'image caractérisé en ce que lesdits moyens com-

prennent un nombre donné d'éléments de visualisation excitables in-

dividuellement en fonction des signaux de sortie transmis via les électrodes de lecture du dispositif de visualisation et disposées

suivant une répartition correspondant auxdites électrodes de lec-

ture.