Dispositif de détection photoélectrique

Abstract

 Le dispositif de détection photoélectrique comporte une couche photosensible (12) supportée par un substrat (11) transparent aux radiations incidentes et une couche intermédiaire (13) d'adaptation optique placée entre couche photosensible et substrat. Les épaisseurs respectives desdites couches intermédiaire et photosensible sont dimensionnées pour que l'absorption des photons s'effectue dans la couche photosensible en sortie de ladite couche dans une épaisseur de l'ordre de grandeur de la profondeur d'échappement des électrons de telle façon que le rendement de photoémission du dispositif soit optimal compte tenu de la nature des matériaux de couches.
Application à la photodétection.

Description

[0001] La présente invention concerne un dispositif de détection photoélectrique pour un rayonnement de longueur d'onde comprise dans un certain domaine, lequel dispositif comprend dans une enveloppe à vide une couche photosensible supportée par un substrat qui est trans- pârent au rayonnement incident et en outre, pour l'adaptation optique, une couche intermédiaire transparente audit rayonnement, disposée entre la couche photosensible et le substrat, l'indice de réfraction du matériau constitutif de la couche intermédiaire étant compris entre celui du substrat et celui du matériau de la couche photosensible.

[0002] De tels dispositifs peuvent être par exemple des cellules photoélectriques, des tubes intensificateurs d'image, des tubes image intégrés dans des systèmes de prise de vues de télévision ou encore des photomultiplicateurs.

[0003] Quand un dispositif de détection photoélectrique comporte une couche photosensible déposée directement sur un substrat, il en résulte en général une mauvaise adaptation optique de la couche photosensible sur le substrat si bien qu'une bonne partie de la lumière incidente sur le substrat est mal utilisée pour la conversion des photons en électrons. L'efficacité de détection photoélectrique du dispositif s'en trouve considérablement réduite. Il est connu d'améliorer cette efficacité en atténuant les phénomènes de réflexion qui se produisent à l'interface substrat-couche photosensible au moyen d'une ou plusieurs couches intermédiaires transparentes au rayonnement incident placées entre substrat et couche photosensible.

[0004] Un tel dispositif ne comportant qu'une seule couche intermédiaire, comme selon l'invention, fait l'objet par exemple du brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3 254 253. La couche intermédiaire introduite est choisie pour sa faible absorption. Par ailleurs, ses constantes optiques et son épaisseur sont telles que, compte tenu des constantes optiques du substrat et de la couche photosensible, les lumières réfléchies respectivement à l'interface substrat-couche intermédiaire et à l'interface couche intermédiaire-couche photosensible sont. sensiblement de même amplitude et de phases opposées, si bien qu'elles tendent à s'annuler mutuellement par interférence.

[0005] Un tel dispositif atténue considérablement les pertes dues aux phénomènes de réflexion mais ne représente pas nécessairement le dispositif qui, construit avec des couches de même composition, présenterait le rendement de photoémission optimal.

[0006] Le but de l'invention est de proposer un dispositif de détection photoélectrique comprenant une couche photosensible supportée par un substrat transparent aux radiations incidentes avec couche intermédiaire également transparente, entre substrat et couche photosensible, le rendement de photoémission dudit dispositif étant optimal compte tenu de la nature des matériaux constitutifs respectivement du substrat et des couches photosensible et intermédiaire.

[0007] Selon l'invention, un dispositif du genre décrit dans le préambule est caractérisé en ce que l'épaisseur e de la couche photosensible et l'épaisseur e₁ de la couche intermédiaire sont proportionnées de telle sorte que l'absorption des photons du domaine de longueur d'onde considéré s'effectue préférentiellement dans la couche photosensible au voisinage de l'interface de ladite couche avec le vide du dispositif, dans une tranche d'épaisseur, mesurée à partir de ladite interface, de l'ordre de grandeur de la profondeur d'échappement L vers le vide des photoélectrons créés.

[0008] Pour naître, l'invention se fonde sur les expressions théoriques du rendement de photoémission d'un dispositif de détection photoélectrique avec ou sans couche intermédiaire entre substrat et couche photosensible, l'absorption de la lumière dans la couche photosensible étant supposée s'effectuer dans la couche photosensible.

[0009] En l'absence de couche intermédiaire, ce rendement est fonction de l'épaisseur e de la couche photosensible et de ses constantes optiques n, k (n indice de réfraction et k indice d'extinction du matériau). Son expression s'écrit :

dans laquelle les symboles ont la signification suivante :

- x distance mesurée entre l'interface couche photosensible vide du tube (x = 0) et le lieu d'absorption des photons dans la couche ;

- W énergie des photoélectrons ;

- A_λ (n,k,x) fonction d'absorption de la radiation de longueur d'onde À dans la couche photosensible à la distance x de l'interface couche photosensible vide ;

- P(W,O) probabilité de sortie des photoélectrons à l'interface couche photosensible vide (x = 0), prise égale à l'unité dans les applications qui suivent ;

- L profondeur d'échappement des photoélectrons de la couche photosensible ;

- f(x,L) loi caractérisant le transport des électrons dans la couche ; e épaisseur de la couche photosensible.

[0010] En présence d'une couche intermédiaire d'épaisseur e₁ et de constantes optiques ni, k₁ (n₁ indice de réfraction, k₁ indice d'extinction) entre le substrat et la couche photosensible, la fonction d'absorption A_λ des photons dans la couche photosensible est fonction non seulement de n, k, x mais aussi de e_l, n_l, k₁ et l'expression donnant le rendement ρ'_λ de photoémission de la structure s'écrit :

Des applications numériques des expressions (1) et (2) en prenant comme loi de transport des électrons f(x,L) = e L (où e représente ici le nombre de Neper) pour quelques cas théoriques, suivies de vérifications expérimentales servent à illustrer l'invention. Les matériaux utilisés pour le substrat présentent un indice de réfraction de grandeur de l'ordre de 1,5 à 2 et ceux,utilisés pour la couche intermédiaire transparente (k₁ ≠ 0), un indice de réfraction plus grand que celui du substrat et plus petit que celui de la couche photosensible.

[0011] L'invention est décrite ci-après plus en détail au moyen d'exemples en référence à des dessins qui représentent :

Figure 1 : une vue schématique en coupe du dispositif de photoémission selon l'invention.

Figure 2 : un réseau de courbes en coordonnée: cartésiennes indiquant le rendement de photoémission du dispositif en fonction de l'épaisseur e de la couche photosensible pour différentes valeurs e₁ de la couche intermédiaire à la longueur d'onde λ = 4360 Å, le matériau photoémissif étant (Sb Na₂ K, Cs) et celui de la couche intermédiaire TiO₂.

- Figure 3 : un réseau de courbes semblables indiquant le rendement de photoémission du dispositif à la longueur d'onde λ = 5460 Å.

- Figure 4 : un réseau de courbes semblables indiquant le rendement de photoémission du dispositif à la longueur d'onde λ = 8000 Å.

- Figure 5 : un réseau de courbes indiquant la sensibilité énergétique en fonction de l'épaisseur e de couche photosensible d'un dispositif de photoémission avec et sans couche intermédiaire en TiO₂ d'épaisseur e₁ = 500 Å.

- Figure 6 : la sensibilité spectrale énergétique d'un dispositif de photoémission selon l'invention en fonction de la longueur d'onde de la lumière, avec couche intermédiaire d'épaisseur e₁ = 500 Å en Ti0₂ et couche photoémissive d'épaisseur e = 900 Å en (Sb Na₂ K, Cs), et la sensibilité de la même couche photoémissive d'épaisseur 1300 R déposée directement sur le substrat de verre (couche dite S 25).

[0012] La figure 1 est une vue en coupe d'une réalisation d'un dispositif dans lequel le substrat consiste en un disque 11 transparent au rayonnement sur lequel sont déposées la couche photosensible 12 d'épaisseur e et la couche intermédiaire 13 d'épaisseur e_l transparente également aux radiations. Cet empilement est censé constituer l'entrée d'un tube photoélectrique, la lumière à détecter se présentant du côté gauche de l'empilement dans le sens de la flèche 14, le vide du tube 15 se trouvant du côté droit.

[0013] Selon un premier mode de réalisation, l'invention se propose d'améliorer le rendement de photoémission d'une couche photosensible par exemple de type S 20 trialcaline de formule chimique (Sb Na₂ K, Cs) déposée directement sur un substrat de verre d'indice de réfraction de l'ordre de 1,5 dans des domaines respectivement bleu, vert, rouge du spectre de la lumière centré sur les longueurs d'onde respectivement : λ = 4360 Å, λ = 5460 Å, λ = 8000 Å. Le rendement ρ_λ, de photoémission d'une telle couche est maximal dans chacun des domaines pour une certaine valeur de l'épaisseur e de la couche. L'ordre de grandeur de cette valeur apparaît sur la ligne 2 du tableau I ci-après en fonction du domaine spectral. Sur la ligne 3 du même tableau est indiqué le rendement de photoémission correspondant exprimé en électrons par 100 photons incidents. Selon ce premier mode de réalisation, la couche intermédiaire introduite entre la couche photosensible et le substrat est une couche par exemple en Ti0₂ d'indice de réfraction 2,6. Sur les figures 2, 3, 4 sont représentées en coordonnées cartésiennes les variations en fonction de l'épaisseur e de la couche photosensible, du rendement de photoémission du dispositif construit pour des lumières respectivement bleue, verte et rouge centrées sur les longueurs d'onde À respectivement : λ = 4360 Å,λ = 5460 Å,λ= 8000 Å. Sur ces figures, chaque courbe correspond à une valeur de e_l de la couche intermédiaire, cette valeur étant indiquée en regard de chaque courbe. Le rendement ρ'_λ de photoémission du dispositif est optimal dans chacun des domaines spectraux lorsque les couples de valeurs de e et e₁ sont ceux indiqués aux lignes 4 et 5 du tableau I, le rendement étant pour sa part indiqué à la ligne 6. Sur la ligne 7 on a indiqué le rapport

égal à 1,3 ; 1,25 ; 1,1 ; dans les domaines spectraux respectivement bleu, vert et rouge. Le gain photoélectrique le plus important est donc obtenu en lumière bleu avec une épaisseur de photocathode comparable aux couches photosensibles de type S 20 de même composition déposée directement sur le substrat.

[0014] Le dispositif de détection photoélectrique selon l'invention ne se limite pas à celle correspondant à des épaisseurs e et e₁ dont les couples de valeurs sont ceux indiqués sur le tableau 1.

[0015] En effet, comme il apparaît sur chacune des figures 2, 3, 4, il existe d'autres couples de valeurs pour lesquelles le rendement de photoémission est sensiblement optimal. Chaque couple de valeurs correspond à une variante de l'invention. Ces couples de valeurs apparaissent pour chacun des domaines spectraux dans le tableau II ci-après.

Dans les domaines spectraux bleu et vert, les couples des valeurs se groupent dans deux ensembles correspondant chacun à une somme des épaisseurs e et e₁ sensiblement constante à savoir dans le bleu e + e₁ = 1450 Å et e + e₁ = 700 Å et dans le vert e + e₁ = 1900 Å, e + e₁ = 900 Å. Dans le domaine rouge les couples des valeurs forment un ensemble pour lequel e + e₁ = 1450 Å. Compte tenu de la précision des mesures, l'invention s'étend aux dispositifs pour lesquels la somme e + e₁ est égale aux valeurs précédemment indiquées à 15 % près. Pour des domaines de longueurs d'onde différents, l'invention conduit à des dispositifs se définissant de manière analogue et dont les sommes e + e₁ sont caractéristiques des domaines spectraux considérés.

[0016] Un second mode de réalisation de l'invention consiste dans l'utilisation de certains des dispositifs obtenus selon le premier mode de réalisation comme dispositif de détection photoélectrique dans le spectre visible et proche infrarouge avec obtention d'une uniformité de sensibilité dans ledit spectre aussi bonne que possible. Le dispositif choisi est par exemple celui pour lequel les matériaux de couches photosensible et intermédiaire sont respectivement (Sb Na₂ K, Cs) et Ti0₂ avec des épaisseurs e et e₁ de l'ordre e₁ = 500 Å et e = 900 Å. La figure 5 représente à ce sujet trois couples de courbes répertoriés B, V, R indiquant la sensibilité énergétique, exprimée en mA par Watt de dispositifs de détection photoélectrique dans les domaines, respectivement bleu, vert, rouge du spectre en fonction de l'épaisseur de la couche photosensible, les courbes en pointillés corespondant à un dispositif avec un dépôt direct de la couche photosensible sur le substrat, les courbes en traits pleins à un dispositif avec couche photosensible déposée sur couche intermédiaire d'épaisseur e₁ = 500 Å entre substrat et couche photosensible, la probabilité P(W,O) de sortie des électrons de la couche photosensible étant prise égale à 0,5 dans tous les cas. L'ensemble de ces courbes permet de comparer la sensibilité du dispositif photoélectrique selon l'invention avec celle d'une couche photosensible S 25 déposée directement sur le verre et dont l'épaisseur serait 1300 R. Ce gain photoélectrique obtenu, selon l'invention, par rapport à la couche S 25 est de l'ordre de 1,1 dans le rouge, 1,5 dans le vert, 2,5 dans le bleu. Les conséquences apparaissent sur les courbes 61 et 62 de la figure 6 représentant les variations, en fonction de la longueur d'onde λ de la lumière, de la sensibilité énergétique exprimée en mA par Watt respectivement de la couche S 25 et du dispositif selon l'invention. Par rapport à la couche S 25, la sensibilité se trouve augmentée dans le bleu et le vert et de ce fait présente une certaine uniformité.

[0017] Il va de soi que l'invention s'étend à tous les dispositifs comportant sur le substrat une couche photosensible et une couche intermédiaire transparente (K₁ ≠ 0) dont l'indice de réfraction du matériau est compris entre celui du substrat et celui du matériau photosensible.

[0018] Ainsi, selon des variantes de ces modes de réalisation, la couche photosensible est bialcaline de formule chimique Sb Ax By dans laquelle A et B sont des éléments alcalins et x,y des coefficients, s'il s'agit d'accroître les sensibilités dans le bleu et le vert ou encore de type Sb Ax s'il s'agit d'accroître la sensibilité seulement dans le bleu ou encore de type Ag 0 Cs pour l'accroissement de la sensibilité dans tout le spectre visible et proche infrarouge de la lumière. Par ailleurs, le matériau Ti0₂ de la couche intermédiaire est par exemple remplacé par Ta₂0₅ ou encore In₂ 0₃ ou Sn 0₂ (sauf en cas de présence de sodium) ou SiO, MnO, Al₂O₃ Si₃N₄, Mg 0 ou encore un verre au lanthane préparé en couche mince. Lorsque les matériaux des couches photosensible et intermédiaire sont ceux précédemment indiqués, les épaisseurs e et e₁ du dispositif se trouvent avoir sensiblement les mêmes valeurs que celles indiquées dans les tableaux I et II, des variations de 15 % étant autorisées sans s'écarter sensiblement de l'optimalisation du rendement de photoémission du dispositif..

[0019] Parmi les autres avantages présentés par les dispositifs selon l'invention, on peut noter la faiblesse des épaisseurs de couche photosensible par rapport à celles dans les dispositifs de l'art antérieur et, par ailleurs, le fait que certaines des couches intermédiaires par exemple Sn0₂ et In₂0₃₉ en présentant une résistance électrique très faible, permettent une stabilisation du potentiel électrique à la surface de la couche photosensible favorable à son fonctionnement en photocathode.

Revendications

1. Dispositif de détection photoélectrique pour un rayonnement de longueur d'onde comprise dans un certain domaine, lequel dispositif comprend dans une enveloppe à vide une couche photosensible (12) supportée par un substrat (11) qui est transparent au rayonnement incident et en outre, pour l'adaptation optique, une couche intermédiaire (13) transparente audit rayonnement disposée entre la couche photosensible et le substrat, l'indice de réfraction de matériau constitutif de la couche intermédiaire étant compris entre celui du substrat et celui du matériau de la couche photosensible, caractérisé en ce que l'épaisseur e de la couche photosensible (12) et l'épaisseur e₁ de la couche intermédiaire (13) sont proportionnées de telle sorte que l'absorption des photons du domaine de longueur d'onde considéré s'effectue préférentiellement dans la couche photosensible au voisinage de l'interface de ladite couche avec le vide (15) du dispositif,dans une tranche d'épaisseur, mesurée à partir de ladite interface, de l'ordre de grandeur de la profondeur d'échappement L vers le vide (15) des photoélectrons créés.

2. Dispositif de détection photoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il fait partie d'un groupe de dispositifs dont les matériaux constitutifs sont identiques de l'un à l'autre et pour lcsquels la somme e + e₁ des couches est égale sensiblement à une constante dépendant du domaine de longueur d'onde considéré et desdits matériaux constitutifs.

3. Dispositif de détection photoélectrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat (11) étant du verre d'indice de réfraction de l'ordre de 1,5, le matériau de la couche photosensible (12) étant compris dans le groupe (Sb Ax By Cs), (Sb Ax By), (Sb Ax), Ag 0 Cs, A et B étant des éléments alcalins, x et y des coefficients compris entre 0 et 3 et.le matériau de couche intermédiaire (13) pouvant être tout matériau, transparent auxdites radiations, d'indice de réfraction dont l'ordre de grandeur est compris entre 1,9 et 2,6 et compatible chimiquement avec le matériau photosensible, les valeurs des épaisseurs e et e_l, respectives de couche photosensible (12) et de couche intermédiaire (13) sont en fonction du domaine de détection considéré bleu, vert, rouge, centré sur la longueur d'onde respectivement : λ = 4360 8, λ = 5460 Å,λ = 8000 Å, celles indiquées dans l'une des colonnes du tableau II avec une tolérance d'au maximum de l'ordre de 15%.

4. Dispositif de détection photoélectrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau photosensible étant compris dans le groupe Sb K₂ Cs, Sb K₂ Rb, Sb Rb₂ Cs, Sb Cs₃, Ag 0 Cs, le matériau de couche intermédiaire (13) est compris dans le groupe TiO₂, Ta₂O₅, In₂O₃, Sn 0₂, SiO, MnO, Al₂O₃, Si₃N₄, MgO, verre au lanthane.

5. Dispositif de détection photoélectrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau photosensible étant compris dans le groupe Sb K₂ Cs, Sb Na₂ K Cs, Sb K₂ Rb, Sb Rb₂ Cs, Sb Cs₃ Ag 0 Cs, le matériau de couche intermédiaire (13) est compris dans le groupe TiO₂, Ta₂O₅, SiO, MnO, Al₂O₃, MgO, Si₃N₄, verre au lanthane.

6. Dispositif de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les valeurs de e et e₁ sont respectivement : e₁ = 500 Å et e = 900 Å avec une tolérance de l'ordre de 15 % au maximum.

7. Application du dispositif de détection photoélectrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit dispositif est utilisé pour la détection de radiations de longueurs d'onde appartenant à un large spectre visible et proche infrarouge avec une bonne uniformité de sensibilité énergétique spectrale.

Dessins