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PROCEDE DE PREPARATION DE DISPOSITIFS UTILISANT DES COUCHES DE TRANSITION ENTRE
SEMI-CONDUCTEURS DES TYPES P & N-
Le présent perfectionnement concerne l'utilisation des couches de transition entre semi-conducteurs des types P & N préparés selon le brevet principal pour la réalisation de cellules photo-électriques.
On sait qu'en dirigeant de la lumière sur la zone de contact éta- blie entre la pointe d9une électrode effilée et la surface d'un fragment de germanium, on observe un effet photoélectrique mis en évidence par la présen- ce d'une tension photoélectrique au droit du contact, ou par les variations d'un courant électrique précédemment établi à travers le dit contact. En rai - son de la faible étendue de la surface de germanium photosensible qui entoure la pointe de l'électrode, l'effet photoélectrique est peu important et il est difficile de réaliser un système optique pour concentrer la lumière inciden- te sur cette petite zone de contact.
On sait également que les dispositifs à couches de transition, dont la préparation est décrite en détails dans le brevet principal, présen- tent ce même effet photoélectrique au droit de la couche de transition, lors- que cette dernière est éclairéeo Pour obtenir des dispositifs de ce genre présentant de bonnes caractéristiques photoélectriques, on utilise du germa- nium dont la résistivité est d'au moins deux ohms par centimètre, c'est-à- dire ne renfermant que des quantités infimes d'impuretés du type donneur ou du type accepteur.
On peut théoriquement réaliser des couches de transition d'aire bien supérieure à celle de la zone entourant la pointe d'une électrode effi- lée et obtenir ainsi un effet photoélectrique beaucoup plus important qu'avec des dispositifs à contact ponctuelo Pratiquement, il se présente plusieurs difficultés : par exemple, les régions de conductibilité du type P et du ty- pe N, qui sont situées de part et d'autre de la couche de transition, ont en
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général une épaisseur appréciableo Le germanium s'opposant fortement à la transmission des rayons lumineux., spécialement des rayons visibles et ultra- violets, on a pensé éclairer seulement l'un des bords sensibles de la couche au moyen d'une radiation dirigée parallèlement à cette dernière.
Mais, dans ces conditions, la partie éclairée contribue presque exclusivement à l'effet photoélectrique obtenu et la plus grande partie de la surface photosensible demeure inutiliséeo
La présente invention a pour objet la réalisation d'une cellule photoélectrique au germanium, à couche de transition, présentant sur les dis- positifs antérieurs les avantages suivants : plus grande surface photosensible active; photosensibilité de la couche de transition aux radiations infra- rouges visibles et ultra-violettes, ou sensibilité sélective à certaines ban- desplus étroites du spectre lumineux, même à travers une certaine épaisseur de germanium; construction peu coûteuse et solide en dépit de la petite tail- le et de la fragilité de l'élément actif;
enfin, adaptation simple et très efficace de l'ensemble à la concentration de la lumière sur la couche de tran- si tiono
Conformément à l'invention, la cellule photoélectrique est con- stituée par une pastille de germanium, d'une épaisseur de 0,12 cm au plus, dans laquelle se trouve une couche de transition P-N parallèle aux deux sur- faces planeso La longueur et la largeur de la pastille ne sont pas critiques, une valeur voisine de 0,7 cm convient pour ces deux dimensions. La prépara- tion de pastilles de ce genre est décrite en détails dans le brevet princi- pale Deux électrodes distinctes sont respectivement connectées aux régions de conductibilité du type P et du type N; la lumière, traversant l'une ou l'au- tre de ces régions, vient frapper la couche de transition suivant une direc- tion perpendiculaire au plan de la pastille.
Au cours de la fabrication, on règle la position de la couche de transition à l'intérieur de la pastille, ainsi que l'épaisseur totale de cette dernière, de façon à ce que la cellule soit sensible, soit à toutes les radiations du spectre, y compris l'ultra- violet et l'infra-rouge, soit à certaines fractions prédéterminées du spec- tre, voisines de l'infra-rougeo
Selon une réalisation préférée de l'invention, on dépose sur l'une des faces de la pastille de germanium une très mince pellicule d'impu- reté ;
la couche de transition P-N se forme immédiatement au-dessous de cette pellicule, par l'alliage et la diffusion de l'impureté dans la pastille jus- qu'à une profondeur inférieure à 0,0025 cmo La lumière incidente traverse la pellicule d'impureté et excite la couche de transition située au-dessous, sans absorption appréciable d'aucuue longueur d'ondeo
Selon une variante de l'invention, la lumière incidente est di- rigée sur l'autre face de la pastille,
de telle sorte qu'elle traverse pres- que toute l'épaisseur de cette dernière avant d'atteindre la couche de tran-' sitiono A cause du haut pouvoir d'absorption du germanium pour les rayons de faible longueur d'onde les cellule photoélectriques ainsi conçues sont sur- tout sensibles à l'infra-rouge et peuvent servir à détecter ou à filtrer ce rayonnement pour le séparer du reste du spectre lumineux.
Le degré de sensi- bilité de la cellule aux rayons visibles et ultraviolets est déterminé par l'épaisseur de germanium que la lumière incidente doit traverser avant d'at- teindre la couche de transition ; peut l'ajuster au moment de la fabrica- tion de la pastille, en réalisant la couche de transition à la profondeur voulue, ou encore en réduisant l'épaisseur de la pastille par meulage ou dé- capage, après formation de la couche de transition P-N.
Lorsque la lumière incidente traverse une certaine épaisseur de . germanium avant d'atteindre la couche de transition P-N, on peut la concen- trer sur cette dernière en donnant à la surface de la pastille qui la reçoit,. une forme particulière; de cette façon., la pastille joue le rôle d'une len- tille, à cause de son indice de réfraction élevéo
La présente invention sera bien comprise en se reportant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés à titre d'exem- ples de réalisation non limitatifs.
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- La figure 1 est une vue en coupe d'une cellule photoélectri- que réalisée selon l'invention; - La figure 2 est une vue agrandie de la couche de transition
P-N que comporte la cellule de la figure 1; - La figure 3 est une vue agrandie d'une variante de réalisa- tion de la couche P-N, applicable à la construction de la cellule de la figu- re 1;
- La figure 4 est une vue en coupe d'une autre cellule photo- électrique réalisée selon une variante de l'invention et - La figure 5 est une vue agrandie de la couche de transition
P-N que comporte la cellule de la figure 40
Sur la figure 1, on a représenté une cellule photoélectrique 10 munie d'une enveloppe cylindrique 11 en substance isolante, telle que l'ébo- nite la bakélite ou une matière plastiqueo L'une des extrémités de l'envelop- pe 11 supporte une lentille 12, l'autre extrémité, un élément photosensible
13 et ses connexionso L'élément 13 est constitué par une pastille de germa- nium 25 à couche de transition P-N;-l'une des faces de 25 reçoit la lumière incidente focalisée par la lentille 12.
On peut, en variante, supprimer ce dernier élément et donner à l'enveloppe 11 la forme d'un tube allongé qui di- rige la lumière incidente sur la face exposée de la pastille 25. Celle-ci repose sur un disque ou piston 14, réalisé en un alliage de fer, nickel, co- balt, dont le coefficient de dilatation thermique est le même que celui du germanium. Un conducteur 15 est connecté, par soudure, au piston 14. Un se- cond conducteur 16 est introduit dans la paroi de l'enveloppe 11; une peti- te bande de connexion 17 est fixée par un point de soudure à la saillie in- terne 18 du conducteur 16. La bande 17 est flexible de préférence, et peut être réalisée par superposition de plusieurs feuilles métalliques ; elle est connectée à la face exposée de la pastille 250
Sur la figure 2, on a représenté en détails la structure de l'élément 13.
Il est constitué, ainsi qu'il a été dit plus haut, par une mince pastille de germanium 25, de 0,6 cm de côté; cette valeur n'est pas critique, tandis que celle de l'épaisseur t ne doit pas dépasser 0,13 cm, et, de préférence, ne pas être inférieure à 0,013 cm. La face supérieure de la pastille, qui est exposée à la lumière, est recouverte d'une très mince pellicule d'impureté 20, que l'on dépose par évaporation ou projection, et qui peut servir à atténuer les propriétés réfléchissantes de la face qu'elle recouvre. Il est bon de polir ou de décaper la surface de la pastille avant le dépôt de la pellicule 20.
On enlève aussi, par meulage ou décapage, tou- te trace d'impureté sur les bords de la pastille pour pallier le risque de court-circuit dans la couche de transition P-No La pellicule d'impureté est ainsi limitée à la face supérieure de la pastille 25 ; elle doit avoir une épaisseur uniforme, au plus égale à 40000 angstroms, de préférence; on ob- tient de meilleurs résultats lorsque l'épaisseur est voisine de 1.000 angs- trams Le type d'impureté choisi pour constituer la pellicule 20 dépend des caractéristiques de conductibilité du germanium dont est faite la pas- tille 25.
Ainsi qu'il est expliqué en détails dans le brevet principal, l'im- pureté doit avoir une conductibilité de type opposé à celle du germanium dont est constituée la pastille ; si la pastille est constituée de germanium à conductibilité "intrinsèque", on peut utiliser indifféremment une impure- té du type P ou du type No D'autre part,il est bon que la pastille, de conductibilité donnée, soit mise en contact avec un élément contenant des impuretés conférant le même type de conductibilité que ladite pastille.
Ainsi qu'il apparait sur la figure, on place, sous la pastille 25, une pla- quette 21 constituée par un donneur, tel l'antimoine, si 25 a une conducti- bilité du type N, et par un accepteur, tel l'indium, si 25 a une conducti- bilité du type Po Si 25 est formée de germanium à conductibilité intrin- sèque, on la monte sur une plaquette contenant une impureté qui confère une conductibilité de type opposé à celle qu'introduit la pellicule 20.
L'impureté dont est constituée la plaquette 21 s'allie partiel-
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lement au germanium de la pastille 25 et y diffuse jusqu'à une certaine pro- fondeur par chauffage à une température appropriéeo L'étendue et la prof on-- deur de diffusion ne sont pas critiques;
il suffit que l'impureté ne traver- se pas la pastille dans toute son épaisseur. La température et la durée né- cessaires pour effectuer une diffusion satisfaisante de l'impureté sont dis-' cutées dans la suite de la descriptions en relation avec la formation de la couche P-No La plaquette 21 est soudée au piston 14 et sert à fournir ou à absorber des électrons, selon le cas, de manière à ce qu'une bonne conducti- bilité, d'un type prédéterminé? puisse s'établir entre la pastille 25 et la borne 15.Selon une variante de l'invention, illustrée sur la figure 3, on supprime la plaquette 21 et 1'on emploie, pour fixer la pastille 25 au piston conducteur 14, de la soudure 21a contenant l'impureté voulueo Si la pastille 25 est en germanium du type N,
on peut utiliser une soudure 21 a constituée, par exemple, par 85 de plomb et 15% d'antimoine, et chauffer à 250 degrés C.; on peut se servir d'une soudure analogue, renfermant de l'indium au lieu d'antimoine si la pastille 25 est en germanium du type Po L'établissement d'un bon contact., résultant d'une légère diffusion de l'impureté dans le ger- manium, est assuré par une soudure faite dans les conditions requises de cha- leur et de duréeo
Le montage de la pastille sur la plaquette 21 ou sa fixation sur le piston 14 au moyen de la soudure 21a, peuvent s'effectuer avant, après ou pendant la formation de la couche de transition 22. La couche 22 est for- mée par la pénétration de la pellicule d'impureté 20 dans la pastille 25 jus- qu'à une profondeur inférieure, de préférence,, à 0,0025 cm.
Lorsque 20 est une pellicule d'indium.\) on obtient la profondeur de diffusion qui convient en chauffant l'ensemble pendant une demi-heure environ, à une température comprise entre 400 et 600 degrés Co; pour l'antimoine, on chauffe pendant le même temps à 650 degrésoUn phénomène d'alliage accompagne normalement la diffusion de l'impuretés mais il reste superficiel, et la couche de transi- tion P-N se forme à la limite de pénétration de l'impureté diffusée.. L'opé-. ration s'effectue, de préférence,, en une atmosphère ne présentant aucune réaction chimique avec l'impureté utilisées de l'argon pur par exemple. Pour cette raison, on préfère réaliser la couche de transition 22 avant de mon- ter la pastille 25 sur le piston 14.
Deux semblables cycles de chauffage per- mettent, l'un la diffusion de la pellicule 20 dans la face supérieure de la pastille, l'autre la diffusion de la plaquette 21 dans la face inférieure.
Les températures employées pour ces deux opérations dépendent surtout de la nature des impuretés choisies et sont comprises entre 200 & 700 degrés C. pour tous les donneurs et accepteurs connus. En règle générale, la tempéra- ture la plus basse que l'on puisse utiliser, est celle où l'impureté commen- ce à "mouller" le germanium.\) c'est-à-dire celle où l'on discerne un début de pénétrationo Pour l'indium par exemple, cette température est voisine de 250 degrés, tandis qu'elle est de 600 degrés pour l'antimoine.
D'autre part, la température la plus élevée est celle à laquelle le germanium commence à fondre, vers 950 degrés, mais il ne convient pas de dépasser 800 degrés, vu la difficulté de contrôler la vitesse de diffusion de l'impureté à de telles températureso On déterminera les température et durée exactes en effectuant quelques essais préliminaires ou en se référant à des manuels de chimie et physique donnant les propriétés de diffusion de l'élément choisie En fègle générale, plus la durée est grande, plus la pénétration de l'impureté est profonde ; plus la température est élevée, plus la profondeur et la concen- tration d'impureté alliée ou diffusée dans le germanium sont importantes.
Un procédé commode pour déterminer la position exacte de la couche de transition 22 dans les pièces d'essai, consiste à couper la pièce suivant une direction qui fait un angle aigu avec les plans des grandes sur- faces de la pastille 25, de telle manière que le plan de section coupe la- dite coucheo On promène une sonde métallique chaude le long du plan de cou- pe jusqu'à ce que la déviation d9un galvanomètre, en série avec la sonde, change de sens; le point où la déviation est nulle indique la position de la couche de transition P-N.
Cette méthode repose sur le fait que la sonde et la surface du germanium constituent un thermo-couple dans lequel s'établit'
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une tension thermo-électrique, dont la polarité dépend du type de conductibi- lité du germaniumo Le procédé de réalisation des couches de transition P-N par diffusion d'impuretés est décrit en détails dans le brevet principalo
La pastille 25, ainsi préparée., comprend diverses zones super- posées qui se présentent comme suit, à partir du hauts la pellicule 20 a disparu ou presque, donnant naissance à une zone très mince 24 d'une épais- seur inférieure à 0,0025 cm. fortement imprégnée de Impureté dont était for- mée la pellicule 20. A 24 est connectée la bande conductrice 17,'ainsi qu'il apparait sur la figo 2.
Sous la zone 24, se trouve la couche de transition
22 ; enfin, la base de la pastille est constituée par une zone 23 dont la con- ductibilité est de type opposé à celle de 240
Lorsque la lumière incidente tombe sur la face supérieure de la pastille 25, elle traverse ce qui reste de la pellicule 20 et la zone 24 pour venir frapper la couche de transition 22 et donner naissance à une tension photoélectrique entre les bornes 15 & 160 Si, au moyen d'une source extérieu- re connectée aux conducteurs 15 & 16, en série avec une impédance, on appli- que un courant électrique aux bornes de la couche de transition P-N, on peut utiliser la lumière incidente pour contrôler l'intensité du courant circulant dans ce circuit extérieur et faire varier, en conséquence,
la tension appa- raissant aux bornes de l'impédanceo L'élément photosensible 13 est également un dispositif à conductibilité unidirectionnelle et, de ce fait, redresse le courant alternatif du circuito On a observé un effet photoélectrique plus im- portant lorsque le courant circule dans le sens où l'élément à couche de transition présente une forte résistanceo
Sur la figure 3,on a représenté une variante de réalisation de l'élément 13 où l'impureté déposée sur la pastille se présente sous forme d'une sorte de grille à fils parallèles 26, au lieu d'une pellicule homogène comme précédemmento L'épaisseur de la grille est du même ordre de grandeur que celle de la pellicule 20;
le dépôt s'effectue de la même façon - par éva- poration ou projection -, mais cette fois, on utilise un cache pour masquer les régions de la pastille à ne pas recouvriro Après dépôt de l'impureté, on ôte le cache et l'on prépare la couche de transition P-N, comme il a été expliqué plus hauto On décape ensuite l'ensemble au moyen d'un décapant chi- mique ou électrolytique, pour enlever les impuretés superficielles et évi- ter ainsi de court-circuiter la tension photo-électriqueo Le décapage forme, en général, de petites cavités 27 autour des fils 26.
La disposition de la figure 3 favorise l'homogénéité de la couche de transition P-N et diminue les risques de formation de zones insensibles qui affaiblissent la sensibili- té totale du dispositif9 comme il a été dit dans le brevet principalo
Les éléments à couche de transition P-N, réalisés selon l'in- vention et apparaissant sur les figures 2 & 3sont sensibles à toutes les radiations du spectre, y compris les rayons infra-rouges et ultra-violets, ceci grâce à la très faible épaisseur de la zone que doit traverser la lu- mière incidente, avant d'atteindre la couche de transition;
cette zone ayant une épaisseur inférieure à 0,0025 cm, l'absorption des radiations lumineuses par le germanium est à peu près nulleo
Sur la figure 4, on a représenté une variante de réalisation de la cellule photoélectrique selon l'invention, particulièrement sensible à la bande infra-rouge du spectreo La cellule 30 comporte une enveloppe cylindri- que en métal 31, munie à sa base d'un rebord 32 comprenant un support inté- rieur qui sert à réaliser l'une des connexions de l'élément photoélectriqueo L'autre borne est formée par un conducteur 33, introduit dans un couvercle isolant 34, à l'extrémité supérieure de la celluleo L'élément à couche de transition 35, représenté en détails sur la figure 5, comprend une pastille de germanium circulaire 36,
montée sur un élément conducteur 37 en forme d'en- tonnoir s'élargissant vers la base de la cellule 30. La pastille 36 a une épaisseur comprise entre 0,013 et 0,13 cm et un diamètre voisin de 1,3 cm - cette dernière dimension n'étant pas critiquée Le support 37 sert à diriger la lumière sur la face inférieure de la pastille 36; on a donné à cette sur-
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face une forme sphérique, par meulage ou décapage, et elle joue le rôle de lentille, ainsi qu'il est expliqué plus bas.
L'élément conducteur 37 entou- re complètement la pastille 36, à laquelle il est, de préférence, scellé de façon étancheo Une bande 38, fixée à la saillie 39 du conducteur 33, relie ce dernier à l'impureté 40 qui se présente sous forme de bille au centre de la face supérieure de la pastille 36, La face supérieure de l'élément à cou- che de transition 35 est, de préférence, décapée pour les raisons données plus haut; cette opération définit une gorge 45. Une impureté 419 introdui- sant une conductibilité de type opposé à celle que communique l'impureté 40, est fixée, sous forme de soudure, à la circonférence de base de la pastille 36.
Elle sert à améliorer le contact entre la pastille et l'élément conduc- teur et à faciliter l'extraction ou l'absorption des électrons dans la cou- che de transition P-N; elle joue le même rôle que la plaquette 21 ou la sou- dure 21a de la cellule 100
La sphérule d'impureté 40 peut aussi se présenter sous forme de soudure et la couche de transition 42 se forme sous la sphérule par suite de la diffusion de l'impureté dans la pastille 36, sous l'action de la chaleur, comme il a été dit plus hauto Mais., dans la cellule 30 il est nécessaire que la couche de transition P-N se forme à moins de 090025 cm de la surface, comme c'était le cas dans la cellule 100 De fait, pour la plupart des appli- cations,
il vaut mieux que la durée ou la température de chauffe soit quelque peu supérieure à celle mentionnée dans la description de la figure 2, de ma- nière que la couche de transition soit plus rapprochée de la face inférieure de la pastille; la profondeur maximum à laquelle peut se trouver la couche de transition est, par exemple, 0,012 cm pour une pastille de 0,037 cm d'é- paisseur au maximumo Etant donné la vitesse uniforme de diffusion de l'impu- reté 40 dans toutes les directions,il se forme sous la sphérule une zone 43 fortement imprégnée d'impureté; la couche de transition 42, qui se présente sous forme d'une calotte sphérique., est située entre la zone 43 et la partie 44 de la pastille, située à 1'extérieur de la zone de diffusion.
La face in- férieure de la pastille 36, également sphérique, agît., vu son indice de ré- fraction élevé, comme une lentille convexe qui concentre la lumière inciden- te sur la couche de transition P-N. Grâce à cette disposition et à la forme d'entonnoir de l'élément conducteur 37, on peut rendre la cellule 30 sensi- ble à une lumière relativement faibleo
Un élément à couche de transition P-N réalisé selon l'invention dont la pastille a 0,05 cm d'épaisseur et dont la couche de transition est située à 0,012 cm au-dessous de la sphérule d'impuretés délivre un courant de repos de 20 milliampères? lorsqu'on applique une différence de potentiel inverse de 15 volts aux bornes de cet élément,
et un courant de 30 milliam- pères lorsque la cellule est éclairée, ainsi alimentée, par une lampe à fila- ment de tungstène de 60 watts., placée à une distance de 3,7 cmo La lumière émise par la lampe est en grande partie infra-rouge. Etant donné que le ger- manium absorbe plus facilement la lumière visible et ultra-violette que l'infra-rouges la cellule 30 est beaucoup plus sensible à cette dernière qu'à toutes les autres radiations du spectreo Une pastille de 0,04 cm d'épaisseur, dont la couche de transition P-N est située à 0,012 cm de la surface, atté- nue très fortement toutes les radiations, à l'exception des infra-rougeso '
Sur la figure 5, la sphérule d'impureté 40 est de l'indium et l'anneau d'impureté 41 est de l'antimoine.
La zone 43 présente donc une con- ductibilité du type P, tandis que celle de la zone 44 est du type N. Ceci est donné uniquement à titre d'exemple.