FR2689685A1 - Détecteur infrarouge à antenne. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les détecteurs infrarouges. Elle se rapporte à un détecteur (1) ayant une mince couche (3) d'un matériau photosensible placée sur un substrat transparent (9), alors que des antennes (13) sont adjacentes à la surface. Les antennes sont séparées des contacts ohmiques (5, 7) qui relient la couche (3) au circuit externe. Les antennes (13) concentrent le rayonnement dans les champs marginaux et assurent l'interaction avec la matière photosensible (3). Les détecteurs peuvent être de type photovoltaïque ou photoconducteur. Application aux appareils de formation d'images infrarouges.

Description

La présente invention concerne un détecteur infrarouge, notamment du type

qui comprend une ou plusieurs

antennes, appelé "détecteur infrarouge couplé par antenne".

Dans les détecteurs infrarouges classiques, le même élément est utilisé pour l'interception, la collecte et la détection du rayonnement On peut utiliser une plus grande section de capture pour la collecte de l'énergie

du rayonnement à l'aide d'antennes.

Les détecteurs infrarouges conviennent par -10 exemple à la formation d'images thermiques, à la recherche

de chaleur et à la détection d'alarme.

Les détecteurs infrarouges sans antenne de type classique, par exemple les bolomètres, les détecteurs photovoltaïques (diodes), et les détecteurs photoconducteurs doivent assurer une absorption efficace du rayonnement incident Ce critère d'absorption efficace impose une épaisseur minimale à l'élément Dans le cas de la détection photovoltaïque et photoconductrice (c'est-à-dire des photodétecteurs), on utilise couramment des matériaux

'semi-conducteurs intrinsèques.

Les coefficients d'absorption optique dans l'infra-

rouge a de tels matériaux sont compris habituellement entre 103 et 104 cm 1 L'épaisseur de l'élément doit

être supérieure à ( 1/a) ou de cet ordre de grandeur.

Dans le cas des matériaux à base d'alliage ternaire du type tellurure de mercure et de cadmium (Cdx Hglx Te), ceci implique une épaisseur d'absorption (c'est-à-dire 1/a)

de 10 pim environ On a aussi utiliser des matériaux extrin-

sèques Cependant, le mécanisme d'absorption est bien

moins efficace.

Dans de nombreuses applications, les -caractéris-

tiques des -photodétecteurs, et en particulier la détectabi-

lité, sont limitées par le bruit dû à la création et à la recombinaison Cette restriction apparaît par exemple lorsque le flux du fond continu parvenant sur le détecteur est très faible ou lorsque les détecteurs ne peuvent pas être refroidis à de très basses températures Le bruit de création-rec-mbinaison dans les semi- conducteurs est un effet qui dépend du volume et qui est en fait proportionnel à la racine carrée du volume Etant -donné que le détecteur doit avoir une épaisseur importante, le bruit est donc élevé et la décelabilité mauvaise En outre, les porteurs en excès créés par photoconversion sont répartis dans un grand volume si bien que la concentration des porteurs en excès et la sensibilité sont faibles Dans les détecteurs photoconducteurs, la grande épaisseur implique en outre une faible résistance et en conséquence une dissipation

importante d'énergie dans le champ de polarisation.

On a indiqué l'existence de détecteurs couplés par antenne à diode non linéaire et à trichite métallique, tous deux des dispositifs à jonction métal-isolant-métal et

métal-semi-conducteur lVoir Hocker et al, Appl Phys Lett.

12, 401 ( 1968); et Tsang et al, Appl Phys Lett 30, 263 ( 1977)l Dans ces détecteurs, les antennes collectent il'énergie du champ rayonnant et l'appliquentaux jonctions, sous forme d'une tension à la fréquence infrarouge Ceci a pour effet de donner une variation d'un courant ou d'une tension continue On l'a interprété comme étant un redressement du courant à la fréquence infrarouge, dû -à la linéarité de la caractéristique courant-tension de la jonction lVoir Faris et al, Appl Phys Lett 27, 629 ( 1975)l Une étude théorique plus générale des détecteurs infrarouges couplés par antenne a été donnée par Schwartz

et al lJ Appl Phys Vol 48 N O 5, p 1870-3 ( 1977)l.

Cette étude a montré que la puissance équivalente au

bruit pouvait être réduite considérablement par une réalisa-

tion soignée des bolomètres Le bolomètre décrit comporte un certain nombre d'éléments thermosensibles reliés par des liaisons conductrices, ces liaisons ayant elles aussi une configuration destinée à assurer un couplage par antenne L'étude indique aussi en détail un détecteur*photovoltalque à trichite métallique, une trichite effilée de tungstène en contact ponctuel avec un matériau semi- conducteur photosensible à l'infrarouge La combinaison de la trichite et du matériau semi-conducteur forme une diode à contact à pointe puisqu'un contact redresseur est formé Des signaux sont extraits par l'intermédiaire de la trichite Cependant, la trichite a des propriétés analogues à celles d'une antenne à des fréquences convenant à ses dimensions linéaires La formation d'un détecteur infrarouge couplé par antenne à partir d'un tel arrangement nécessite l'obtention de propriétés suivant le champ, c'est-à-dire que le détecteur Lidoit suivre et redresser

des signaux à fréquence infrarouge Ceci impose des restric-

tions sévères, par exemple la nécessité de très faibles dimensions géométriques destinées à donner une faible capacité Le résultat est une inductance élevée et une résistance élevée avec un faible rendement et un bruit correspondant L'étude expérimentée précitée conclut qu'il est douteux qu'une réduction utile du bruit puisse être obtenue pour des photodétecteurs, par couplage par antenne. La présente invention concerne un détecteur infrarouge qui comporte ( 1) un élément de détection formé d'un matériau

semi-conducteur photosensible, capable d'absorber l'infra-

rouge,

( 2) des contacts formés avec le matériau semi-

conducteur et assurant les connexions électriques de l'élément de détection, et ( 3) une structure ayant des propriétés d'antenne et séparée des contacts, cette structure étant destinée à assurer un couplage interactif par un champ marginal avec l'élément de détection, sous l'action du rayonnement infrarouge. On a constaté de façon surprenante que, contrai- rement à l'opinion des spécialistes, il était possible d'obtenir des réductions importantes du bruit par mise en oeuvre de l'invention' En outre, la sensibilité et la-détectabilité peuvent aussi être améliorées L'invention35 rend possible ces propriétés par séparation du contact et de la structure ayant des propriétés d'antenne afin que

leur réalisation puisse être exécutée indépendamment l'un de l'autre.

L'élément de détection peut avoir des contacts ohmiques et une épaisseur faible par rapport à la longueur d'absorption du matériau: photosensible, La structure ayant les propriétés d'antenne assure une augmentation localisée de la densité d'énergie du rayonnement dans l'élément de détection, celui-ci pouvant donc être plus mince que dans les dispositifs connus Ceci réduit le bruit de création- recombinaison qui dépend du volume, et

augmente en conséquence la sensibilité et la détectabilité.

De plus, l'épaisseur réduite de l'élément permet l'utili-

sation d'une plus grande résistance Ceci est avantageux dans le cas des détecteurs photoconducteurs puisque cela réduit la dissipation d'énergie pour une tension donnée

de polarisation.

Le détecteur selon l'invention peut comporter un substrat portant l'élément de détection, formé d'un matériau diélectrique transparent aux infrarouges et en contact optique avec l'élément de détection, et une

ou plusieurs antennes métalliques planes disposées paral-

lèlement et au moins à proximité de la surface libre de l'élément L'antenne ou les antennes assurent un couplage interactif avec l'élément par l'intermédiaire des champs

marginaux créés aux extémités des antennes.

L'élément -peut avoir une construction photocon-

ductrice, c'est-à-dire qu'il peut comporter une seule couche du matériau, les contacts étant espacés et en contact ohmique avec celui-ci La mince couche du matériau obtenue par cette construction permet l'obtention d'une plus grande résistance entre les contacts qu'il n'était

permis jusqu'à présent, avec l'avantage d'une dissipation réduite d'énergie pour une amplitude donnée du champ-

de polarisation. Dans une variante, l'élément peut avoir une construction photovoltaïque, c'est-à-dire être formé de deux couches de matériau, ayant chacune un type différent de porteur en excès, les contacts ohmiques étant placés

de part et d'autre de la jonction formée par ces deux couches.

Il est préféra Dle que l'antenne ait une longueur telle qu'elle soit à la résonance pour le rayonnement de longueur d'onde compris dans la bande d'absorption du matériau de l'élément Il est en outre préférable que cette longueur soit telle que cette résonance corres- ponde à l'ordre le plus bas, c'est-à-dire soit une résonance demi-onde Ceci présente l'avantage de permettre d'obtenir un espacement d'antennes correspondant à la dimension de la tache de diffraction donnant l'optique la mieux adaptée, et permettant ainsi une augmentation au maximum de la

capture du rayonnement.

Les antennes précitées peuvent avoir une forme rectangulaire étroite ou large, de configuration en noeud papillon, ou de forme elliptique Les structures moins sensibles à la polarisation, circulaires ou carrées,

peuvent aussi être utilisées.

Dans un mode de réalisation préféré de construc-

tion, l'élément de détection est couplé à plusieurs an-

tennes régulières espacées Le matériau de l'élément 2 O entre les antennes peut être absent, car le matériau qui se trouve en dehors des champs marginaux de la plage efficace ne contribue pas au signal Dans cette dernière construction, des contacts résistifs sont formés afin qu'ils assurent la connexion des sous-éléments séparés de

l'élément de détection.

La meilleure adaptation optique dans le cas d'antennes courtes peut être obtenue avec une optique à F/0,7 Le substrat peut lui-même jouer le r 6 le d'une lentille composite en coopération avec le matériau de la- couche Il peut être alors utilisé dans des applications du type grand angulaire, ou il peut être combiné à une

optique télescopique ou autre convenable lors de la forma- tion d'images ou dans d'autres applications. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion ressortiront mieux de la description qui va suivre,

fait E en référence aux dessins annexés sur lesquels: les figures 1 et 2 sont respectivement une vue en plan et une coupe a-un pnocodétecteur à couplage par

antenne et d'un détecteur photoconducteur selon l'inven-

tion; les figures 3 et 4 sont des diagrammes polaires représentant le gain d'une antenne plane, formés sur

un substrat diélectrique, pour le plan H et le -plan E res-

pectivement;

la figure 5 est un schéma représentant -un détec-

teur monté sur une lentille, avec un ensemble optique;

la figure 6 est une coupe d'un détecteur photo-

voltalque à couplage par antenne; les figures 7 et 8 sont respectivement une vue en plan et une coupe d'un détecteur réticulé à couple par antenne; et la figure 9 est une vue en plan d'un exemple de détecteur photoconducteur intégrateur à bande mince,

couplé par antenne.

Un photodétecteur infrarouge 1 à couplage par antenne est représenté sur les figures 1 et 2 Il comporte un élément photoconducteur unique formé d'une mince couche unique 3 d'un matériau photosensible, capable d'absorber

l'infrarouge, et il comporte -deux contacts de polarisa-

tion, des contacts ohmiques 5 et 7 d'extrémités La couche

3 est supportée par un substrat 9 d'une matière diélec-

trique transparente infrarouge et elle est en contact optique intime avec lui Une passivation superficielle du matériau de la couche est assurée par un très mince

revêtement 11 de surface, un revêtement ayant une épais-

seur de quelques angstroems seulement Un certain nombre d'antennes métalliques 13 sont placées par-dessus et au contact de la surface revêtue de la couche 3 Elles ont

une construction plane et sont uniformément espacées à la surface.

Les facteurs qui gouvernent la sélection des

matériaux, la configuration géométrique et la conception optique -des dispositifs sont maintenant considérés.

On considère d'abord le choix des matériaux Le matériau photosensizie peut être de type intrinsèque ou extrinsèque Cependant, le type intrinsèque est de loin le plus avantageux car un tel matériau donne un meilleur

rendement de photoconversion Parmi les matériaux intrin-

sèques, un matériau choisi parmi les alliages ternaires de tellurure de mercure et de cadmium Cd Hg 1 x Te conviennent très bien La caractéristique de bande interdite de ces alliages peut être choisie par sélection de la composition

afin qu'elle corresponde à l'application infrarouge parti-

culière La composition d'alliage peut être choisie afin qu'elle assure une photoconversion optimale pour les fenêtres atmosphériques correspondant aux bandes de longueurs d'onde allant de 3 à 5 Uim et de 8 à 14 Iim La constante diélectrique varie entre une valeur égale à 12 (x= 1, Cd Te) à une valeur égale à 20 (x= 0, Hg Te) dans toute la gamme des compositions L'alliage de tellurure de mercure et

de cadmium Cd XH 1 îTe, pour x = 0,205 par exemple, a une cou-

pure à une longueur d'onde Xc = 10 pm à une température de K (-1230 C), et peut être choisi pour une détection dans la bande de longueurs d'onde allant de 8 à 10 Mm La constante diélectrique ú de ce matériau choisi a une valeur de 18 environ. Dans le cas des détecteurs du type décrit dans le présent mémoire, le rayonnement est dirigé vers les

antennes à travers la matière du substrat Une matière transparente à infrarouge est donc nécessaire; l'atténua-

tion doit être minimale Un matériau à base de tellurure de cadmium est considéré comme souhaitable Il est transpa- rent au rayonnement dans chacune des bandes de 3-5 pim et30 8-14 Itm Il a aussi un accord raisonnable des constantes de réseau et des coefficients de dilatation thermique avec tous les alliages de tellurure de mercure et de cadmium Il constitue donc un substrat convenant au dépôt épitaxial de tellurure de mercure et de cadmium, et assure l'intégrité mécanique lors de l'application de cycles thermiques normaux Les indices de réfraction du tellurure de cadmium et des alliages de tellurure de mercure et de cadmium sont semblables (ils diffèrent d'un facteur compris entre 0,8 et 1,0 dans toute la gamme de matériaux) si bien que la réflexion à l'interface substrat-couche 9/3 par défaut d'adaptation optique est minimale Lorsque la couche 3 est très mince, c'est-à- dire mince par rapport à la longueur d'onde dans le matériau, les propriétés de

l'antenne sont affectées par la matière du substrat.

Dans ce cas, une constante diélectrique de 8 ou plus est préférable pour le substrat La constante diélectrique E du

*tellurure de cadmium a une valeur égale à 12.

Il est aussi souhaitable que la plus grande partie possible du rayonnement collecté par les antennes soit réémise et dirigée dans la couche absorbante 3 En conséquence, le métal de l'antenne doit être choisi de

manière qu'il présente des pertes minimales par résistance.

Les matériaux les plus avantageux à cet effet sont les -métaux caractérisés à la fois par une densité électronique élevée et par une grande mobilité, par exemple le cuivre, les métaux précieux tels que l'argent, l'or, et les métaux

alcalins.

Les pertes sont dues à la résistance par effet de peau aux fréquences infrarouges On tient compte du fait

que cet effet est anormal; le taux de diffusion électro-

nique i/T est inférieur à la fréquence angulaire du rayon-

nement à La densité de courant J(w) et le champ électrique E(w) sont reliés par l'expresion J(w) = laî/( 1 +jlr) + jwu} E(w) expression ( 1) dans laquelle a est la conductivité à l'état continu, T est

le temps de relaxation de l'impulsion et c est la permit-

tivité du vide La résistivité laminaire efficace R du 1/2 s métal aux hyperfréquences (wg /2 G O)î est saturée à W = 1/T, si bien que, à la fréquence infrarouge, on a Rs = (g 0/2 %oT)1 expression ( 2)

Celle-ci est la plus basse pour une densité élec-

tronique élevée et une mobilité élevée.

L'évaluation de cette expression ( 2) donne un exemple de valeur: Rs 0,5 2/0 à 300 K ( 300 C)

pour l'argent métallique.

On considère maintenant la configuration géomé-

trique du dispositif.

(i) Dimension et configuration de l'antenne La réponse de l'antenne est la plus efficace à la longueur d'onde de résonance La longueur de l'antenne est choisie de préférence de manière que les antennes

résonnent à une fréquence se trouvant dans la bande intéres-

sante de longueurs d'onde La longueur donnant la résonance

"demi-onde" est en outre préférable à de plus grandes lon-

gueurs de résonance car cette longueur permet une plus grande densité d'antennes et en fait, comme décrit dans la suite, de telles antennes peuvent être disposées à une

distance correspondant au diamètre de la tache de diffrac-

tion, permettant ainsi la collecte la plus efficace du rayonnement incident Cette grande densité n'est pas possible dans le cas des structures résonantes plus grandes, par exemple de une longueur d'onde et demie, si bien

que la collecte est alors nettement moins efficace.

La longueur de résonance "demi-onde" L 1/2 peut être exprimée d'après la longueur d'onde du rayonnement X t le rapport E r et les constantes diélectriques de la matière de part et d'autre des antennes et un facteur numérique Ks qui dépend de la forme des antennes r sous la forme L 12 = Ks //l 1/2 (+)r expression ( 3) V/TKs *m ú Er expression ( 3 a) avec X (À = v//Y) désignant la longueur d'onde du

rayonnement à l'intérieur du matériau de la couche (Lors-

que la couche 3 est très mince, on doit tenir compte du substrat 9 et l'expression précédente doit être modifiée

en conséquence).

La sélection de la configuration de l'antenne n'est pas primordiale Le facteur de forme K est proche s d'une valeur 0,5 pour les - antennes très minces, a une valeur 0,45 pour un rapport d'allongement longueur-largeur

de 10/1, et a une valeur de 0,35 environ dans le cas d'an-

tennes plus larges ou en forme de noeud papillon.

L'évaluation de l'expression ( 3 a) dans le cas du matériau choisi de tellurure de mercure et de cadmium, avec un montage dans l'air (E: = 18) donne une longueur d'antenne L 1/2 ' 1,5 Itm avec un rapport d'allongement de 10/1, à une longueur d'onde

de 10 pm environ.

D'autres configurations d'antennes, carrée, elliptique, cruciforme ou circulaire, peuvent être utilisées celles-ci étant moins sensibles à la polarisation optique ou même indépendantes de celle-ci Elles correspondent à des valeurs différentes du facteur de forme K, et la longueur et l'espacement des antennes doivent être choisis

en conséquence.

L'espacement optique des antennes et la réalisa-

tion optique sont reliés, l'espacement est décrit dans

la suite.

(ii) Epaisseur de la couche On constate que, lorsque l'épaisseur de la

couche 3 est très faible ("Xm/15), l'efficacité de l'absorp-

tion des infrarouges dépend de la résistivité laminaire plutôt que de l'épaisseur et de la conductivité considérées indépendamment L'épaisseur de la couche est choisie afin qu'elle donne une valeur convenable de la résistivité laminaire, la valeur devant donner satisfaction dans

-l'application prévue.

On peut considérer, pour le calcul de l'absorp- tion, que la couche absorbant l'infrarouge constitue une feuille conductrice présentant des pertes, sous forme d'une charge répartie aux bornes de chaque antenne 13 Les - équations de Maxwell ont été résolues numériquement dans le cas des antennes résonantes "demi-onde" minces placées sur une feuille conductrice Les résultats de ces calculs sont donnés dans le tableau qui suit A titre comparatif, on a aussi calculé l'absorption donnée par des détecteurs sans antenne ayant la même résistivité laminaire, et

on donne aussi leur valeur.

(Dans une matière conductrice présentant des pertes, la constante de propagation K (K = e + ji) est complexe: K 2 = W 2 pe( 1-ja/w) dans le cas du matériau à base de tellurure de mercure et.de cadmium, le rapport o/wc de la conduction au courant de déplacement est faible (- 1/30): $ C. Apres passage dans la matière présentant les pertes, l'énergie rayonnante est atténuée d'un facteur

exp(-2 $t), t étant l'épaisseur de la couche.

La perte fractionnaire d'énergie P, c'est-à-dire la fraction absorbée est alors: AP 2 $t a-( 1/ut) expression ( 4) c'est-à- dire le rapport de l'impédance caractéristique de

la matière à la résistance laminaire de la couche.

Dans le cas du matériau choisi de tellurure

de mercure et de cadmium ( S = 18), l'impédance caractéris-

tique est de 89 ohms.

Tableau Absorption par une feuille conductrice, avec et sans couplage par antenne Résistivité laminaire Pertes par Absorption sans antenne transmission (KQ/p) (%) (%)

0,5 65 18

1,0 51 9

2,0 32 4,5

,0 22 1,8

,0 14 0,9

Ainsi, il apparaît qu'une couche de résistivité

laminaire 500 2/D, couplée par antenne, donne une absorp-

tion d'environ 65 % du rayonnement incident (Cela suppose À i une capture avec un rendement de 100 % du rayonnement incident par l'antenne et des pertes négligeables dans le métal) Dans le cas d'une résistivité plus élevée,

l'absorption diminue et, en particulier pour des résisti-

vités laminaires de 1 k R/E*ét 10 kfl/E 3,le rendement d'ab-

sorption est d'environ 50 % et 15 % respectivement Lors-

que la résistivité laminaire est supérieure à 10 kfl/EI

environ, l'absorption varie en sens inverse de la résisti-

-vité laminaire L'absorption, dans le cas du couplage par antenne, est supérieure à celle qui est obtenue avec une structure sans antenne, plus précisément dans le cas des résistivités laminaires plus élevées lorsque l'absorption est dix fois plus efficace La résistivité laminaire obtenue en pratique pour un matériau absorbant intrinsèque tel qu'une couche de tellurure de mercure et de cadmium, est de l'ordre de 10 k M 2/ pour une épaisseur

de couche de 0,1 pm Pour une telle couche mince, l'augmen-

tation relative d'absorption par couplage par antenne est importante (d'un facteur 10 environ) L'utilisation de couches plus épaisses (c'est-à-dire d'une plus faible résistivité laminaire) ne permet qu'une amélioration

relativement faible due à l'action de l'antenne mais-

peut être souhaitable pour la-compensation de la contribu-

tion des processus de recombinaison-création à-l'interface

de la couche et du substrat 9.

On considère maintenant les autres critères de réalisation et notamment la réalisation de l'optique

et la sélection de l'espacement d'antennes.

Le calcul des propriétés de transmission des

antennes dipolaires planes formées sur un substrat diélec-

trique montre qu'elles sont caractérisées par une directi-

vité très forte du rayonnement, la répartition d'énergie

dans chaque matière variant approximativement comme c 3/2.

r (Voir Brewitt-Taylor et al, "Planar antennas on a dielectric surface", Elctronic Letters, 1 er octobre 1981, vol 17, no 20

p 729-731 Les figures 3 et 4 du présent mémoire reprodui-

sent ces diagrammes polaires en champ lointain).

Les figures 3 et 4 représentent les diagrammes polaires en champ lointain dans le cas 'd'un dipÈle à

une interface diélectrique-air, pour un rapport de cons-

-tantes diélectriques e r de 1,4 et 12 Ces diagrammes corres-

pondent à des dipÈles à la résonance, mais la sensibilité à la fréquence est très faible La figure 3 correspond au plan H, c'est-à-dire le plan perpendiculaire au courant dipolaire, et la figure 4 correspond au plan E Dans le cas e r 8, le faisceau transmis dans le diélectrique est approximativement un cône de demi-angle au sommet égal à Une observation corrolaire est que cette antenne n'est aussi sensible qu'au rayonnement dirigé dans un cône de

demi-angle analogue.

La réalisation optimale de l'optique destinée au détecteur 1 est donc telle que le rayonnement collecté de la scène lointaine converge en un faisceau de demi-angle O au sommet 45 ' (c'est-à-dire 0,7 radians) Un tel arrangement optique est représenté sur la figure 5 Dans cet arrangement représenté, la lentille est une lentille composite comprenant une couche 3 absorbant l'infrarouge et le substrat diélectrique 9 La face avant 15 du substrat 9 a été mise à la forme d'une lentille hyperhémisphérique, et sa courbure est choisie de manière que le rayonnement soit focalisé sur les antennes 13, c'est-à-dire que les antennes 13 se trouvent dans le plan focal de la lentille composite L'ouverture F de cette lentille de distance focale f et de diamètre D est donnée par 0 = = = 0,7 expression ( 5) 2 f 2 F F= 0,7. c'est-à-dire que le meilleur accord possible est obtenu avec une lentille F/0,7 Si la lentille a un plus grand diamètre pour la même distance focale, c'est-à-dire F < 0,7, une partie seulement du rayonnement collecté par la lentille35 converge dans le cône de demi-angle 450 Le rayonnement qui converge depuis la périphérie de la lentille n'est pas couplé efficacement aux antennes D'autre part, si la lentille a un plus petit diamètre, F> 0,7, il existe une perte de rendement par étranglement, la dimension des taches de diffraction devenant trop grande de façon superflue. Le champ de vision du système optique peut être modifié par incorporation d'une optique affocale 17, 19 (à faisceau parallèle à l'entrée et à la sortie) de tout grandissement angulaire voulu Un tel système ne

modifie pas la dimension de la tache de diffraction.

Une condition est que le système optique ne contient pas de diaphragme petit au point d'augmenter la dimension de la tache de diffraction audelà de celle qui est donnée

par l'ouverture de la lentille finale décrite précédemment.

L'espacement optimal d'antennes est obtenu par disposition de chaque antenne au premier extrémum de diffraction dans le diagramme des antennes adjacentes,

c'est-à-dire que l'espacement entre les centres des antennes-

est égal au diamètre de la tache de diffraction La di men-

sion de la tache de diffraction d est fonction de l'ouver-

ture F de la lentille et de la longueur d'onde d = 1,22 F Xm expression ( 6) Ainsi, les expressiongt-l( 53 a) et ( 6) relient l'espacement à la longueur de l'antenne sous la forme L 1/2 dK 1 expression ( 7) = 1,34 pour K = 0, 45 (aspect 10:1), F/0,7 Si l'espacement a une plus grande valeur, une moindre quantité de rayonnement est collectée, comme s'il se trouvait en dehors des diaphragmes de l'antenne, et

le'rendement serait réduit.

Ainsi, un détecteur de profil carré, à 10 pim de

côté, peut utiliser de l'ordre de vingt-cinq antennes (ar-

rangement sous forme d'un réseau carré 5 x 5) ou même

3 soixante (arrangement hexagonal compact à réseau 2-D).

Dans le cas d'antennes de longueur intermédiaire

(c'est-à-dire L >f 2 ' X), le diagramme du rayonnement se ré-

m trécit dans le plan de la longueur de l'antenne e = Xm/L * La relation correspondante entre l'espacement et la longueur devient

= 0,61

Ceci est inférieur à la longueur de l'antenne, et les *antennes ne peuvent pas être mises sous forme dense avec cet espacement La possibilité de l'espacement suivant la tache de diffraction dépend de l'utilisation depetites antennes Lors de l'utilisation de grandes antennes, l'espacement doit être augmenté par utilisation d'une plus grande distance focale, pour un même diamètre

d'optique; cependant, ceci introduit des pertes de ren-

dement dues à un défaut d'accord du' diagramme de rayon-

nement. Dans le cas d'antennes longues (c'est-à-dire L > 2,2 XM), le diagramme de rayonnement a une configuration différente qui ne donne pas un couplage convenable avec le système optique, si bien que les antennes de cette

longueur sont indésirables.

Il faut noter qu'une antenne à la résonance "demi-onde" pour le rayonnement de la bande de longueurs d'onde de 8 à 12 pm peut aussi donner une résonance à 1,5 fois la longueur d'onde pour un rayonnement compris dans la bande de longueurs d'onde de 3 à 5 Mim, bien que le rendement dans cette dernière bande soit obligatoirement

moins bon.

La figure 6 représente un détecteur photovoltaïque infrarouge à couplage par antenne Dans ce cas, l'élément

3 a une structure à deux couches, une photodiode à jonction, comprenant une couche 3 A de type p adjacente aux antennes,-

et une couche inférieure 3 B de type n, et ayant des contacts ohmiques annulaires 5 et 7 adjacents chacun à une couche. L'épaisseur totale des structures à deux couches est semblable à celle de la couche unique de la structure photoconductrice déjà décrite.

Une autre variante, sous forme d'un détecteur réticulé photoconducteur à couplage par antenne, est

représentée sur les figures 7 et 8 Dans ce cas, le maté-

riau photoconducteur 3 a été réticulé afin qu'il reste des îlots 3 ' de matière Sur chaque lot, une antenne unique 13 est formée Les îlots 3 ' sont reliés par des liaisons résistives 21 Tous les îlots 3 ' sont reliés

en série, sous-forme sinueuse.

L'invention s'applique aussi à des détecteurs intégrateur à bande mince (voir le brevet britannique no 1 488 258) Dans ce type de détecteur, l'élément 3 est sous forme d'une bande mince allongée (voir figure 9) Des contacts 5 et 7 de polarisation sont utilisés et un contact 23 de lecture, de type ohmique ou redresseur, est formé entre eux Ce détecteur est adapté par disposition d'un

arrangement d'antenoes 13 à sa surface Lors du fonction-

nement, une image balaie le détecteur, vers le dispositif de lecture Un courant de polarisation est appliqué par l'intermédiaire des contacts 5 et 7 et l'intensité du -courant est réglée de manière que la dérive forcée des photoporteurs vers le dispositif de lecture s'effectue à une vitesse adaptée à la vitesse de l'image mobile La sommation discrète par pas des photoporteurs a donc lieu lorsque les photoporteurs dérivent sous les antennes

et collectent les porteurs créés dans les champs marginaux.

Le détecteur à bande plate représenté sur la figure 9 peut aussi être utilisé en mode d'observation fixe Dans cette application, les photoporteurs peuvent s'accumuler et une impulsion de polarisation est appliquée afin qu'elle entraîne les -photoporteurs vers le dispositif

de lecture après une période d'intégration.

Bien que la description qui précède concerne des

antennes métalliques séparées 13 adjacentes au matériau photoconducteur 3 mais séparées de celui-ci, d'autres formes d'antennes peuvent être utilisées dans le cadre de l'invention Il est nécessaire de disposerd'une structure ayant des propriétés d'antenne et qui est séparée des contacts électriques 5 et 7 formés avec le matériau 3, la structure étant disposée de manière qu'elle assure un couplage interactif par des champs marginaux avec le matériau 3, sous l'action du rayonnement infrarouge Une telle structure peut être réalisée sous de nombreuses formes et en particulier elle ne se trouve pas obligatoirement à la surface de l'élément de détection ou de sa couche de passivation Des exemples de structures qui conviennent comprennent des régions analogues à des antennes qui sont ( 1) des régions semi-conductrices convenablement dopées, ( 2) des îlots formés par croissance sur un matériau ayant une composition chimique différente ou un dopage différent,15 ( 3) des régions enfouies dans un matériau avec un composition chimique différente, et ( 4) -des fentes ou des cavités formées dans

l'élément de détection.

La conductivité et la configuration -géométrique

des structures sont obligatoirement déterminées par calcul par mise en oeuvre des directives indiquées précédemment.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1 Détecteur infrarouge ( 1), du type qui comprend

( 1) un élément de détection ( 3) formé d'un matériau semi- conducteur photosensible et absorbant l'infra-

rouge, et - ( 2) des contacts ( 5, 7) formés avec le matériau semi-conducteur et assurant les connexions électriques de l'élément de détection ( 3), caractérisé en ce que le détecteur ( 1) comporte aussi une structure ( 13) ayant des propriétés d'antenne, la structure étant séparée des contacts ( 5, 7) et étant destinée à assurer un couplage interactif par des champs marginaux avec l'élément de détection ( 3) sous l'action

du rayonnement infrarouge.

2 Détecteur infrarouge ( 1) selon la revendica-

tion 1, caractérisé en ce que l'élément -de détection ( 3) a au moins une couche d'un matériau semi-conducteur photosensible absorbant l'infrarouge, ayant une épaisseur faible par rapport à la longueur d'absorption du matériau

semi-conducteur aux longueurs d'onde infrarouges considé-

rees.

3 Détecteur infrarouge ( 1) selon la revendica-

tion 2, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat ( 9) supportant l'élément de détection et -formé d'un matériau diélectrique transparent à l'infrarouge, ce substrat étant en contact physique avec ledit élément ( 3) et le

rayonnement infrarouge pouvant le traverser jusqu'à l'élé-

ment ( 3).

4 Détecteur infrarouge ( 1) selon l'une quelconque

des revendications précédentes, caractérisé en ce que

l'élément de détection ( 3) est photoconducteur et a une couche unique d'un matériau photosensible, les contacts

( 5, 7) formés avec celle-ci étant espacés.

Détecteur infrarouge ( 1) selon l'une quelconque

des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément

de détection ( 3) a deux couches de matière photosensible ( 3 A, 3 B) ayant des types différents de porteurs en excès, et délimitant une interface entre eux, les contacts ( 5, 7) étant formés de part et d'autre d'une jonction réalisée à-l'interface. 6 Détecteur infrarouge ( 1) selon l'une quelconque

des revendications précédentes, caractérisé en ce que

la structure ( 13) ayant des propriétés d'antenne comporte

au moins une antenne métallique ( 13).

7.-Détecteur infrarouge ( 1) selon la revendication, 6, caractérisé en ce que l'antenne métallique au moins ( 13) a une forme plane et est parallèle à une surface

libre de lrélément de détection ( 3).

8 Détecteur infrarouge ( 1) selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que les dimensions'linéaires de l'antenne sont telles que l'antenne résonne en formant15 un rayonnement dont la longueur d'onde est comprise dans

la plage d'absorption du matériau de l'élément de détection.

9 Détecteur infrarouge ( 1) selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce que les dimensions linéaires

de l'antenne sont telles qu'elles donnent une résonance20 demi-onde.

Détecteur infrarouge ( 1) selon la revendica- tion 9, caractérisé-en ce que la configuration de l'antenne

-est rectangulaire, en noeud papillon, elliptique, circu- laire, cruciforme ou carrée.

11 Détecteur infrarouge ( 1) selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisé en

ce que la structure d'antenne ( 13) comporte un arrangement d'antennes régulièrement espacées ( 13). 12 Détecteur infrarouge selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'élément de détection ( 3) est réticulé et forme des îlots séparés ( 3 ') ayant chacun une antenne respective ( 13). 13 Détecteur infrarouge selon la revendication 12, caractérisé en ce que les îlots ( 3 ') sont connectés en

série les'uns aux autres.

14 Détecteur infrarouge selon la revendication 3, caractérisé en ce que le substrat ( 9) et au moins une couche ( 3) de matériau sont destinés à former une lentille composite qui focalise le rayonnement infrarouge sur

la structure ( 13) ayant des propriétés d'antenne.

? 5 Détecteur infrarouge selon la revendication 14, caractérisé en ce que la lentille composite a une

ouverture sensiblement égale à 0,7.

16 Détecteur infrarouge selon l'une des revendi-

cations 14 et 15, caractérisé en ce que le substrat est hyperhémisphérique.

17 Détecteur infrarouge ( 1) selon la revendica-

tion 1, caractérisé en ce que l'élément de détection ( 3) est formé d'un ou plusieurs matériaux du type du tellurure de mercure et de cadmium ayant une couche de passivation ( 11) à sa surface, la structure ( 13) ayant des propriétés

d'antenne étant placée sur la couche de passivation ( 11).

18 Détecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que les contacts ( 5, 7) sont de

type ohmique.