FR2591032A1 - Photocathode a faible courant d'obscurite - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une photocathode comportant : une première couche 11 constituée d'un matériau semi-conducteur de type P**+ , transparent pour toutes les longueurs d'onde de la lumière à détecter ; une seconde couche 15, 17 constituée d'un semi-conducteur de type P**+ dont la bande interdite a une largeur suffisamment faible pour convertir en paires électron-trou les photons 8 de la lumière à détecter ; au moins une couche 16 intercalée à l'intérieur de la seconde couche 15, 17 et constituée d'un semi-conducteur de type P ou N créant une barrière de potentiel par rapport à la seconde couche 15, 17, et dont l'épaisseur est suffisamment faible pour permettre la traversée d'électrons 9 par effet tunnel avec une probabilité élevée, et suffisamment forte pour arrêter une majeure partie d'un courant de trous ; une électrode métallique 13 permettant de polariser la photocathode pour accélérer les électrons 9 des paires électron-trou créées dans la seconde couche 15, 17 par la lumière ; une dernière couche 14, pour abaisser le potentiel du vide par rapport à la seconde couche 15, 17 pour émettre dans le vide les électrons 9 ainsi accélérés. Application aux tubes de prise de vues et aux tubes intensificateurs d'images. (CF DESSIN DANS BOPI)
Description
I Photocathode à faible courant dobscurité L'invention concerne une
photocathode pour tube de prise de vues dans des conditions de très faible éclairement, tube de caméra de
télévision ou tube intensificateur d'image.
Il est connu de réaliser une photocathode comportant principale-
ment: - une couche, dite couche fenêtre, constituée de semi-conducteur de type P+ dont la bande interdite est suffisamment large pour que cette couche soit transparente pour les longueurs d'onde de la lumière à détecter, et qui est collée sur une paroi de verre recevant la lumière à détecter;
- une couche, dite couche dabsorption, constituée d'un semi-
conducteur de type P+ dont la bande interdite a une largeur suffisamment faible pour convertir en paires d'électron-trou les photons de la lumière à détecter; - une couche, dite couche d'émission, constituée d'un matériau donnant à l'extrémité de la couche d'absorption une affinité électronique négative pour émettre dans le vide les électrons libérés dans la couche d'absorption. En l'absence d'une polarisation appliquée à la couche d'absorption, l'affinité électronique négative ne peut être réalisée que pour des matériaux ayant une largeur de bande interdite supérieure à une limite
donnée, ce qui impose une limite supérieure à la longueur d'onde détec-
table. Une polarisation positive de la couche d'absorption permet de réaliser des photocathodes ayant un bon rendement de photo-émission avec des matériaux de plus faible largeur de bande interdite, donc absorbant des longueurs d'onde plus grandes. Une polarisation de la couche d'absorption peut être appliquée au moyen crd'une connexion avec cette couche, ou par une électrode métallique très mince intercalée entre cette couche et la couche d'émission. Une telle photocathode est décrite dans
l'article de: 3.3. ESCHER et al, IEEE-EDL2, 123-125 (1981).
Ce type de photocathode a pour inconvénient une émission d'obs-
curité important. En effet, un courant de trous important circule dans la couche fenêtre et la couche crd'absorption. Ce courant de trous crée, par ionisation, des paires électron-trou dans la couche d'absorption, créant ainsi un flux d'électrons parasites qui est émis dans le vide par la couche d'émission. Ces électrons constituent un important bruit de fond, qui est gênant lors des prises de vues dans des conditions de très faible éclaire-
ment. Par ailleurs, le courant de trous est la cause d'une forte consomma-
tion électrique et échauffe la photocathode.
Le but de l'invention est de réaliser une photocathode ayant un
courant d'obscurité plus faible que les photocathodes de type connu.
L'objet de l'invention est une photocathode comportant des couches analogues à celles de la photocathode de type connu mais comportant en outre, à rintérieur de la couche d'absorption, une ou plusieurs couches supplémentaires constituées d'un matériau semi-conducteur ayant une bande interdite de largeur supérieure à celle du matériau de la couche d'absorption, et ayant une épaisseur telle que cette couche ou ces couches sont pratiquement transparentes pour le courant d'électrons et sont
pratiquement opaques pour le courant de trous.
Selon l'invention, une photocathode-à faible courant d'obscurité,
comportant une couche dite d'absorption constituée d'un matériau semi-
conducteur de type P+, dont la bande interdite a une largeur suffisamment faible pour convertir en paires électron-trou les photons de la lumière à détecter, est caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins une couche supplémentaire constituée d'un matériau semi-conducteur tel que cette couche supplémentaire ait une barrière de potentiel la plus élevée
possible dans la bande de valence, tout en permettant une bonne trans-
mission des électrons, et dont l'épaisseur est suffisamment faible pour permettre la traversée d'électrons par effet tunnel avec une probabilité élevée, et suffisamment forte pour arrêter une majeure partie d'un
courant de trous.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails apparaîtront à
l'aide de la description ci-dessous et des figures l'accompagnant:
- la figure 1 représente une coupe dune portion d'un exemple de
réalisation d'une photocathode de type connu et un diagramme représen-
tant le profil des extrèma des bandes d'énergie dans cette photocathode; la figure 2 représente une coupe d'une portion d'un exemple de
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réalisation de la photocathode selon l'invention et un diagramme représen-
tant le profil des extrèma des bandes d'énergie dans cet exemple de réalisation;
- la figure 3 représente une variante de réalisation de la photoca-
thode selon l'invention et un diagramme représentant ce profil des
extrèma des bandes d'énergie dans cette variante de réalisation.
Sur la figure 1, un exemple de réalisation de la photocathode de type connu comporte: - une couche fenêtre 1, constituée de matériau Ga0,6A10, 4As de type P+, d'épaisseur I micron, dopé par 5.1017 atomes de zinc par cm3 servant uniquement à absorber les contraintes dues au collage de la photocathode sur une paroi de verre et constituant une fenêtre recevant des photons 8 et les transmettant; - une couche d'absorption 2 constituée d'un semi-conducteur de type P+, par exemple GaAs d'épaisseur I micron, dopé par 1018 atomes de zinc par cm3, ayant pour fonction de convertir chaque photon transmis par la couche I en une paire électron-trou - une électrode métallique 3 constituée d'une faible épaisseur d'argent, 0,005 micron par exemple, ou dune grille en argent, et qui est reliée à la borne positive d'un générateur de tension V, dont la borne négative est reliée à la couche 1; - une couche démission 4, très mince, constituée de C + O s
permettant d'émettre dans le vide des électrons 9 fournis par la couche 2.
Le diagramme des énergies des porteurs représente: l'énergie Ec de la bande de conduction et l'énergie Ev de la bande de valence dans les matériaux semi-conducteurs des couches 1 et 2; lénergie de Fermi EF1 de la couche I; l'énergie de Fermi EF3 de la couche 3; le niveau Ec4 de l'énergie de la bande de conduction; et le potentiel du vide Evi. La largeur de la bande interdite, c'est-à-dire Ec - E, dans la couche 1 est c v suffisamment large, 2 e.V, pour que la lumière à détecter ne soit pas absorbée dans la couche 1. Par contre, la largeur de la bande interdite dans la couche 2 est suffisamment faible pour permettre l'absorption de
toutes les longueurs d'onde de la lumière détectée.
La présence de la couche 4 de Cs + O abaisse le potentiel du vide Evi endessous du niveau d'énergie Ec que possède la couche 2 dans sa partie la plus proche de la couche 1. Il subsiste une barrière de potentiel entre la couche 2 et le vide mais seulement sur une faible épaisseur
proche de la surface.
Si q désigne la charge d'un électron, la tension V fournie par le générateur provoque un abaissement q.V de l'énergie de Fermi EF3 de l'électrode 3 par rapport au niveau de lénergie de Fermi EFI de la couche 1 et donne ainsi aux électrons de la couche 2 une énergie cinétique supplémentaire pour franchir, les barrières de potentiel existant entre la
couche 2 et le vide.
La tension V provoque aussi une injection de trous qui cree, par ionisation, des paires électron-trou dans la couche 2 et crée ainsi un flux d'électrons parasites, flux qui est émis dans le vide comme les électrons des paires électron-trou créés par la lumière. Ce flux d'électrons parasites
émis constitue un courant d'obscurité.
La figure 2 représente un premier exemple de réalisation de la photocathode selon l'invention, comportant des couches Il, 13 et 14 analogues aux couches l, 3, et 4, de la photocathode de type connu qui vient d'être décrite. La photocathode selon l'invention comporte, au lieu de la couche 2, trois couches 15, 16, et 17. Comme la couche 2 les couches 15 et 17 sont constituées d'un matériau semi-conducteur de type P+ ayant une largeur de bande interdite plus faible que celle du matériau de la première couche 11, afin d'absorber les longueurs d'onde de la
lumière à détecter.
La couche 16, intercalée entre les couches 15 et 17, est consti-
tuée d'un matériau semi-conducteur de type P peu dopé dont la largeur de bande interdite est plus élevée que celle de la bande interdite du matériau des couches 15 et 17 de manière à créer une barrière de potentiel dans la bande de conduction E et une barrière de potentiel dans la bande de c valence Ev par rapport aux couches 15 et 17. Le dopage optimal de la couche 16 est celui qui donne la barrière la plus profonde dans la bande de
valence Ev tout en permettant une bonne transmission des électrons.
Cette barrière est destinée à diminuer le courant de trous circulant à travers la photocathode. D'autre part, l'Pépaisseur de la couche 16 est choisie suffisamment faible pour permettre la traversée des électrons par effet tunnel avec une probabilité élevée, et suffisamment forte pour arrêter une majeure partie du courant de trous, cette différence de transparence de la barrière de potentiel créée par la couche 16 étant due
à la grande différence de masse effective entre les électrons et les trous.
Par exemple, la première couche 11 peut être constituée de Ga0,6 AI0,4 As dopé avec 5.1017 atomes de zinc par cm3 et d'épaisseur 1 micron, les couches 15 et 17 peuvent être constituées de Ga As dopé avec
1018 atomes de zinc par cm3. La couche 15 a une épaisseur de 2 microns.
La couche 16 peut être constituée de Ga0 6 AI0,4 As ayant une épaisseur
de 0,003 micron. La couche 17 a une épaisseur de 0,1 micron.
La figure 3 représente un second exemple de réalisation de la photocathode selon l'invention, permettant de réduire encore plus le courant d'obscurité. Dans ce second exemple de réalisation, la couche 2 de la photocathode de type connu est remplacée par des couches 22 et 31 à 40. Il comporte une couche fenêtre 21 et deux dernières couches 23 et 24 respectivement identiques aux couches 1, 3, et 4 de la photocathode de type connu. Les couches 31 à 40 sont constituées de couples de couches 3132, 33-34, 35-36, 37-38, et 39-40 provoquant, dans le profil d'énergie de la bande de valence Ev, cinq barrières de potentiel qui additionnent leurs effets pour diminuer le courant de trous, ainsi le courant dobscurité est encore diminué par rapport à celui obtenu dans le premier mode de réalisation. Les couches 31, 33, 35, 37, 39 peuvent être constituées de Ga0,6 AI04 As dopé avec 1018 atomes de zinc par cm3, et ayant une épaisseur de 0,003 micron. Elles provoquent aussi cinq barrières de potentiel dans la bande de conduction Ec. Comme la couche 16, elles doivent avoir une épaisseur suffisamment faible pour permettre la traversée des électrons et suffisamment forte pour arrêter une majeure partie des trous. Les couches intermédiaires 32, 34, 36, 38, 40 peuvent être constituées de GaAs pour que la largeur de bande interdite soit égale à 1,4 eV, dopé avec 1018 atomes de zinc par cm3, et peuvent avoir une épaisseur de 0,2 micron par exemple. Elles peuvent aussi être utilisées, si elles ont une épaisseur suffisante, pour créer des paires électrons-trous par collision des électrons sur les atomes, tout en ayant une épaisseur suffisamment faible pour que les électrons ne perdent pas leur énergie sous la forme de phonons échauffant le cristal. Cette épaisseur peut aller de quelques
centièmes de micron à quelques dizièmes de micron.
La couche 22 est constituée du même matériau que les couches
intermédiaires 32, 34,..., 40 et a une épaisseur de 1,1 micron.
L'invention ne se limite pas aux deux exemples de réalisation décrits cidessus, de nombreuses variantes sont à la portée de l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne le nombre, les dimensions, les matériaux et les dopages des couches, et les moyens pour polariser la couche d'absorption. La couche 22 est constituée d'un matériau de type P+, dont la bande interdite a une largeur suffisamment faible pour convertir en paires électrons-trous les photons, mais dont le matériau n'est pas forcément identique au matériau des couches 32,..., 40. En particulier, il est possible de créer une barrière de potentiel dans la bande de valence de la couche 16, par rapport à la couche d'absorption 15, en utilisant un matériau ayant la même bande interdite que celui de la couche 15 mais de dopage N+ créant un puits de potentiel dans la bande de conduction et une barrière dans la bande de valence. Il en est de même
pour la réalisation des couches 31, 33, 35, 37, 39.
L'invention peut être applicable notamment aux tubes de prise de
vues de télévision et aux tubes intensificateurs d'image.
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Claims (4)
1. Photocathode à faible courant d'obscurité, comportant une couche (15) dite d'absorption constituée d'un matériau semi-conducteur de type P+, dont la bande interdite a une largeur suffisamment faible pour convertir en paires électron-trou les photons (8) de la lumière à détecter, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins une couche supplémentaire (16) constituée d'un matériau semi-conducteur tel que cette couche supplémentaire (16) ait une barrière de potentiel la plus élevée possible dans la bande de valence, tout en permettant une bonne transmission des électrons, et dont l'épaisseur est suffisamment faible pour permettre la traversée d'électrons (9) par effet tunnel avec une probabilité élevée, et suffisamment forte pour arrêter une majeure partie
d'un courant de trous.
2. Photocathode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de premières couches supplémentaires (31, 33, 35, 37, 39) constituées d'un matériau semi-conducteur tel que ces couches supplémentaires (31, 33, 35, 37, 39) créent des barrières de potentiel les plus élevées possibles dans la bande de valence, tout en permettant une bonne transmission des électrons, l'épaisseur de chaque couche supplémentaire (31, 33, 35, 37, 39) étant suffisamment faible pour
permettre la traversée d'électrons (9) par effet tunnel avec une probabi-
lité élevée, et suffisamment forte pour arrêter une majeure partie du-
courant de trous; et en ce que les premières couches (31, 33, 35, 37, 39) sont séparées par des secondes couches supplémentaires (32, 34, 36, 38, ) constituées de matériau semi-conducteur de type P+ dont la bande interdite a une largeur suffisamment faible et dont l'épaisseur est suffisante pour convertir en paires électron-trou, les photons (8) de la
lumière à détecter.
3. Photocathode selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau semi-conducteur de la couche supplémentaire (16) ou de la pluralité de premières couches supplémentaires (31, 33, 35, 37, 39) est
constitué de Ga0,6 A10,4 As et a pour épaisseur 0,003 micron.
4. Photocathode selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comporte en outre des moyens (13) pour polariser la couche d'absorption
(15, 17) afin d'accélérer les électrons (9) libérés par les photons (8).
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