Brevet FR2012940A1 — publié le 19700327

Ô86Ô4 1 2012940 La présente invention concerne les dispositifs à résistance négative stable en tension j elle concerne plus particulièrement les dispositifs à l'ar-séniure de gallium à résistance négative stable en tension. Dans l'art antérieur comme décrit, dans un article paru dans la revue 5 Journal of Applied Physics, vol. 32,No. 12, p. 2606, [1961] par J. ZucKer, et autres, le germanium et le silicium sont soumis à un champ haute fréquence et à un champ continu combinés et on a observé que la conductivité moyenne de l'échantillon diminuait par rapport à sa valeur initiale. Cependant, en dépit de toutes les études faites sur l'arséninre de gallium, on s'est rendu compte 10 que ce matériau, même s'il présente la caractéristique vitesse-champ attendue théoriquement lorsqu'il est soumis à un champ haute fréquence sélectionné et à un champ de polarisation continu, ne présente jamais les caractéristiques de résistance négative et de stabilité en tension. Les études faites sur l'arséniure de gallium sont résumées dans les revues suivantes : 15 a. "Measurement of the Velocity-Field Characteristic of Gallium Arsenide", par J.G. Ruch et autres dans Applied Physics Letters, Vol. 10, No 2,15 janvier 1967 p.40. b. "Calculation of the Velocity-Field Characteristic for Galliun Arsenide", par P.N. Butcher et autres, dans Physics Letters, Vol. 21 No 5, 15 juin 1966 20 p. 489. c. "Measurement of the Negative Differential Mobility of Electrons in GaAs, par j.B. Gunn et autres dans Physics Letters, Vol. 22 No 4, 1er septembre 1966 p. 369. d. "Détermination of the Negative Differential mobility of N-Type Gallium 25 Arsenide Using 8 mm - Microwaves? par G.A, Acket, dans Physics Letters, Vol. 24 A (1967) p. 200. e. "Velocity-Field Characteristic of Gallium Arsenide From Measurement of the Conductivity In A Microwave Field," par N. Braslau, dans Physics Letters, Vol. 24A C1967), p. 531. 30 En conséquence, un objet de cette invention est de réaliser un dispositif à résistance négative stable en tension. Un autre objet de cette invention est de réaliser un dispositif à l'arséniure de gallium à résistance négative stable en tension. Un autre objet de cette invention est de réaliser une mémoire en utili-35 sant au moins deux dispositifs à résistance négative stable en tension montés à l'intérieur d'un guide d'ondes et soumis soit à un champ haute fréquence stationnaire, soit à un champ haute fréquence progressif. Conformément à une réalisation de cette invention, on a réalisé un dispositif à résistance négative stable en tension qui comprend un matériau 40 ayant une caractéristique vitesse-champ v(EJ présentant une mobilité diffé 69 086Ô4 2 2012940 10 E E^ HP ~ T où Ep et sont les deux points sur la courbe de la figure 3 pour lesquels la conductivité 0 est nulle, le champ haute fréquence ayant une pulsation œ telle que 20 quence pendant laquelle le champ électrique total dépasse la valeur du seuil. Conformément à une autre réalisation de cette invention, deux dispositifs à résistance négative stable en tension sont montés dans un guide d'onde et soumis soit à un champ d'ondes progressives, soit à un champ d'ondes station-naires. Des lignes de mots, de bits et de détection sont ajoutées pour termi-25 ner la mémoire. D'autres objets caractéristiques et avantages de la présente invention rassortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 est une vue montrant le dispositif à résistance négative de 30 cette invention placé dans un circuit qui contient une source de tension fournissant une polarisation continue, une charge résistive et une source haute fréquence pour appliquer un champ haute fréquence au matériau du dispositif. La figure 2 est un graphique montrant la caractéristique -champ - moyenne de.mouvement du matériau qui ê permis de réaliser le dispositif à résistance 35 négative de l'invention, crtte caractéristique présentant une région dans laquelle cette vitesse diminue lorsque le champ électrique augmente. La figure 3 est un graphique montrant la relation entre la conductivité moyenne 5" et le champ haute fréquence croissante Ej-jf d'un dispositif à résis- rentielle negative, suffisante pour satisfaire la condition ?- 2ir ~ " r ne j 0>5 (E } = _ / v(E + E sin u)t)d(wt), Har. 2 ir E, / b H.F. J. où a est la conductivité moyenne du matériau qui est fonction d'un champ haute fréquence qui lui est appliqué, n est la densité des porteurs de charge dans le matériau e est la charge de l'électron, E^ est un champ de polarisation continu appliqué au matériau, 10 est la pulsation du champ haute fréquence, et l'intégrale est prise sur un cycle haute fréquence. Un champ de polarisation continu non nul E^ est appliqué au matériau, ce champ étant inférieur au champ de seuil qui provoquerait la nucléation d'un domaine de champ élevé dans le matériau. Un champ haute fréquence E.. c est appliqué au matériauj ce champ rw r« satisfait l'inéquation : 08604 3 2012940 tance négative réalisé conformément à l'invention. La figure 4 est un graphique montrant la caractéristique de résistance négative du dispositif de cette invention, montrant la relation entre le courant et la tension et les caractéristiques bistables du dispositif lorsqu'une 5 charge lui est appliquée. La figure 5 est un graphique montrant la relation courant-tension de l'échantillon dans le circuit représenté sur la figure 1 pour différentes valeurs de la conductivité moyenne a représentée sur la figure 3. La figure 6 est un graphique montrant l'application du champ de polarisa-10 tion continu et du champ haute fréquence combinés pour le dispositif de cette invention et le signal de courant engendré, la conductivité moyenne étant proportionnelle à la valeur moyenne de ce signal sur un cycle haute fréquence. La figure 7 est une vue partiellement en coupe d'une mémoire comprenant deux des dispositifs de l'invention placés dans un guide d'ondes, ce disposi-15 tif étant soumis à un champ électrique haute fréquence stationnaire. La figure 8 est une vue partiellement en coupe représentant une,mémoire dans laquelle deux des dispositifs de cette invention sont montés dans un guide d'ondes qui est sounis à un champ électrique progressif haute fréquence. Sur la figure 1, on peut voir un échantillon 10 connecté en série à une 20 source de polarisation continue 12 et une résistance de charge 14. Une source haute fréquence 16 constituée par un magnétron, un Klystron etc... fournit le champ électrique haute fréquence E.,c à l'échantillon 10. Hr L'échantillon 10 est constitué d'un matériau qui peut être constitué d'un seul ou plusieurs éléments qui présentent une région de mobilité différen- 25 tielle négative, lorsqu'il est soumis à la fois à un champ de polarisation continu non nul et à un champ haute fréquence approprié. Le matériau 10 a une caractéristique vitesse-champ v(E) ayant une. mobilité différentielle négative suffisante pour satisfaire la condition : 2ir 30 0 > a CEU c ) «--s-sr / vCE. + Eu _ sin wtldfwt), (1) H.F. 2irt. / b H.F. b ^0 où o est la conductivité moyenne du matériau qui est fonction du champ haute fréquence qui lui est appliqué, n est la densité des porteurs de charges dans OC le matériau, e est la charge de l'électron, Efa est un champ de polarisation continu appliqué au matériau, to ast la pulsation du champ haute fréquence et l'intégrale est calculée sur un cycle haute fréquence. Une batterie 12 fournit un champ de polarisation continu non nul E. qui b est inférieur au champ de seuil qui provoquerait la nucléation d'un domaine de 40 champ élevé dans le matériau, le matériau étant un semi-conducteur tel que de M 06604 4 2612940 l'arséniure de gallium de type IM. Le champ de polarisation continu E. satisfait b la condition : 30 °! E .. (2) seuil 5 où l'amplitude du champ de polarisation continu t est supérieure à 0 et inférieure ou égals à la valeur du champ électrique maximum E permis par n SX l'intégrale précédente. La figure 2 représente une courbe 18 présentée par le matériau 10 du dispositif indiquant ses caractéristiques de résistance négative. La pente néga-10 tive de la courbe 18 indiquant la réduction de la vitesse moyenne de mouvement lorsque le champ électrique augmente, représente la région de mobilité différentielle du matériau 10. La figure 3 représente le changement de la conductivité moyenne a présentée dans le matériau 10 en fonction d'un champ électrique haute fréquence crois-15 sant appliqué à ce matériau 10 par la source haute fréquence 16. En l'absence de champ haute fréquence appliqué, c'est-à-dire lorsque le champ haute fréquence est nul, la valeur de la conductivité est comme c'est représenté sur le graphique. La courbe 20 de la figure 3 montre comment la conductivité moyenne diminue en fonction du champ haute fréquence croissant jusqu'aux points R et T 20 de l'axe des abscisses qui sont les points pour lesquels la conductivité moyenne est nulle pour des valeurs du champ haute fréquence particulières supérieures à zéro. Le point S sur l'axe des abcisses est le point pour lequel le champ haute fréquence a une valeur telle que la conductivité moyenne est négative. Le point S est placé entre les points R et T de la courbe 20. Le point Q corres-25 pond à la valeur du champ haute fréquence EUI_ pour laquelle la conductivité Hr moyenne est décroissante mais encore positive. La figure 3montre que le champ électrique haute fréquence E,appliqué à l'échantillon 10 satisfait l'iné- Hr quatiûn s E I où E_ et E sont les deux points sur la courbe 20 de la figure 3 pour lesquels H F ^ la conductivité moyenne a est nulle. Lorsque le champ haute fréquence appliqué est dans l'intervalle donné par l'expression précédente la conductivité moyenne a est négative ce qui permet au matériau 10 de présenter des caractéristiques 35 de résistance négative. Sur la figure 4, on peut voir les caractéristiques de résistance négative présentées par le dispositif, représentées par la courbe 22 montrant la relation entre le courant et la tension pour ce dispositif. La résistance de charge permet au matériau 10 de présenter des caractéristiques bistables au 40 point 24 et au point 26 lorsque la charge 14 est connectée ènsérie avec le 69 08604 5 2012940 matériau 10 et la source de tension 12. Cette caractéristique bistable permet au dispositif d'être utilisé dans une mémoire par exemple. On va maintenant se référer à la figure 5, le graphique de cette figure montre les lignes engendrées pour les différentes valeurs de la conductivité 5 moyenne a et du champ haute fréquence appliqué tel celui représenté sur la figure 3. En conséquence la ligne 28 du graphique I-V de la figure 5 représente la relation entre le courant I et la tension V sur le matériau 10 lorsque le champ haute fréquence est égal à zéro et que a est grand. La ligne 30 représente la relation entre le courant et la tension du matériau 10 lorsque a est 10 faible et E,„_ est égal à G) (voir figure 3). L'axe des abscisses représente la nr _ relation courant-tension dans la condition ou o est égal à 0 et ou E, ir. est Hr égal à R.La ligne 32 représente la relation courant-tension dans la condition où a est négatif et E,est égal à la valeur au point S représenté sur la rir figure 3. Les sections en pointillés de la ligne 32 montrent que la conductivité 15 moyenne passe d'une valeur négative à une valeur positive pour E égale à S Hr si l'amplitude du champ de polarisation E^ est augmentés de façon suffisante pour inverser l'inégalité de l'équation (1). Cette amplitude correspond à la valeur E définie dans l'équation C23 et elle est représentée schématiquement max sur la figure 5 comme correspondant à une tension appliquée V • 20 On va maintenant se référer à la figure B, ce graphique montre comment le courant traversant le dispositif est déterminé en présence des champs continu et haute fréquence combinés. La ligne en pointillés 34 représente le champ de polarisation continu non nul qui est appliqué à l'échantillon 10 au moyen de la batterie 12. Si on le désire, la polarisation continue peut être négative ce 25 qui déplacera la ligne pointillée 34 et l'amènera au côté opposé de l'axe. La sinusoïde 36 représente le champ haute fréquence appliqué E^. La courbe 38 est identique à la courbe caractéristique de la figure 2. La courbe 40 est une courbe qui montre le signal de courant engendré pendant une période du champ haute fréquence qui est appliqué au dispositif. Les lettres a,b,c,d,e,f,g, h et j de 30 la courbe 36 correspondent aux parties notées de façon semblable sur la courbe 38 et la courbe 40 pour fournir une indication de la relation entre le champ total appliqué sur les caractéristiques de courant, du dispositif à résistance négative de cette invention. La conductivité moyenne est définie comme la valeur moyenne de ce signal de courant pendant un cycle haute fréquence, divisé 35 par Efa. Le champ haute fréquence, qui est appliqué à l'échantillon 10, a une pulsation ai telle que w„ G T T - teurs et to„ est une pulsation suffisamment faible pour qu'une réorganisation G des champs électriques importants ait lieu dans le matériau pendant cette par~ 40 tie de la période haute fréquence pendant laquelle le champ électrique total 69 08604 B 2012940 dépasse la valeur du seuil. La résistance de charge R^ 14 qui est connectée en série avec le matériau 10 et le moyen engendrant le champ continu non nul, à savoir la batterie 12, satisfait la condition R, > i-R„ ^ I où -R., est la L j Mat | Mat résistance négative du matériau. La conductivité moyenne négative est l'inver-5 se de la résistance négative du matériau. □ans une réalisation, le matériau 10- est de l'arséniure de gallium du 15 3 type N qui a une concentration en impuretés de 10 impuretés par cm . Le champ haute fréquence qui est appliqué à l'arséniure de gallium a une valeur de l'ordre de plusieurs kilovoits par centimètre et est de préférence voisin 10 de 10 kilivolts par centimètre. Le champ haute fréquence E est appliqué en HF même temps et parallèlement au champ de polarisation continu non nul E, pour b atteindre les caractéristiques de résistance négative sur les bornes du dispositif. Des contacts ohmiques sont ajoutés à l'échantillon d'arséniure de gallium 10 afin de fermer le circuit de la figure 1. L'échantillon utilise a 15 une épaisseur de 35 cm environ et une longueur de 7cm environ. Cependant, on peut faire varier la dimension des échantillons si on le désire. On va maintenant se référer à la figure 7, sur cette figure est représen*-tée une mémoire utilisant par exemple deux dispositifs à résistance négative ou échantillon 10, les deux échantillons sont montés sur l'axe du guide d'onde 20 72 terminé par un court-circuit. Un champ haute fréquence stationnaire est présent à l'intérieur du guide d'onde 72 puisque ce guide d'onde est terminé par un court-circuit en 73. Une source haute fréquence 74 constituée par example par un magnétron ou un klystron fournit de l'énergie haute fréquence au guide d'onde 72. Le dispositif 10 placé au voisinage de la partie 73 en court-circuit 25 du guide d'onde 72 est distant de nX /4 de l'extrémité en court-circuit, X est S ê la longueur d'onde du guide et n est un entier positif. Les deux dispositifs 10 sont distants de mA^/2 où m est un entier positif et une extrémité de chaque dispositif est connectée à la masse. Un commutateur 76 est placé à l'entrée du guide 72, ce commutateur sert à faire varier la valeur du champ haute 30 fréquence dans le guide d'onde 72. Le commutateur 76 qui peut être constitué par exemple d'une diode PIN montée dans le guide d°onde, sert de ligne de mots pour la mémoire de la figure 7. La résistance de charge R^ 14 est placée entre une source de polarisation continue (B+) et l'autre extrémité de chacun des dispositifs 10. Les lignes de détection et de bit 77 sont connectées entre les 35 résistances de charge 14 et l'autre extrémité des dispositifs. Chaque dispositif constitue une cellule de mémoire et un nombre désiré quelconque de dispositifs peut être utilisé dans la réalisation de la figure 7, pourvu que ces dispositifs soient séparés par une distance telle qu'ils soient placés au voisinage des ventres de l'onde stationnaire. Une opération de lecture est réa~ 40 lisée en appliquant un signal à la ligne de mots qui, au moyen du commutateur 69 086.04 7 2012940 76, abaisse le champ haute fréquence dans le guide d'onde 72 à une valeur telle que Q (voir figure 3) à partir d'une valeur S. En conséquence si l'un ou l'autre des dispositifs 10 est dans l'état 1, ce qui est représenté par la position du point 26 sur la courbe 22 de la figure 4, on détecte une chute de 5 tension sur la ligne 76 lorsqu'on fait diminuer le champ haute fréquence. De même si l'un ou l'autre des dispositifs est à l'état 0 ce qui est représenté par la position du peint 24 sur la courbe 22 de la figure 4, on détecte une augmentation de tension sur la ligne 76, lorsqu'on fait diminuer le champ haute fréquence. 10 La lecture est réalisée en appliquant à la ligne de bits 77 du dispositif ou cellule sélectionnée 10 soit un signal négatif pour mettre la cellule sélectionnée 10 dans l'état Otpoint 24 de la courbe 22 de la figure 4), soit un signal positif qui met la cellule sélectionnée 10 dans l'état "1" (point 26 de la courbe 22 de la figure 4). 15 On va maintenant se référer à la figure 8 où des numéros de référence identiques à ceux utilisés sur la figure 7 indiquent les mêmes éléments. Le fonctionnement des cellules de mémoire 10 de la figure 8 est le même que celui des cellules de la figure 7 pour les fonctions de lecture et d'écriture. La figure 8 diffère de la figure 7 en ce que la figure 8 représente une réalisa- 20 tion dans laquelle on utilise une onde progressive dans le guide d'onde 72 qui n'est pas terminé par un court-circuit comme sur la figure 7. Une charge haute fréquence 78 est utilisée pour dissiper l'énergie dans le guide d'onde à sa sortie. Sur la figure 8, il n'y a pas d'espacement fixe comme sur la figure 7, nécessaire pour les dispositifs 10 dans le guide d'onde 72. 25 Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les des sins, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 69 08604 8 2012940 REVENDICATIONS 1. Dispositif à résistance négative caractérisé en ce qu'il comprend : - un matériau ayant une caractéristique vitesse-champ vCE) ayant une mobilité différentielle négative suffisante pour satisfaire la condition : 2tt ne 0 > " 0 CEHp) Z ïï E. v(E, + E^jr- sin ajt)d(u)t), b Hr où 0 est la conductivité moyenne du matériau qui est fonction d'un champ haute fréquence appliqué au matériau, n est la densité des porteurs de charge du matériau, e est la charge de l'électron, Efa est un champ de polarisation conti-10 nu appliqué au matériau, us est la pulsation du champ haute fréquence et l'intégrale est prise sur un cycle haute fréquence, - un moyen pour appliquer au matériau un champ de polarisation continu non nul qui est inférieur au champ de seuil qui provoquerait la nucléation d'un domaine de champ élevé dans la matériau, 15 -un moyen pour appliquer au matériau un champ haute fréquence Eu_ qui sa- Hr tisfait aussi la condition : EHF où Er et Et sont deux points sur la courbe représentant la conductivité en fonc-20 tion du champ haute fréquence pour lesquels points la conductivité moyenne a est nulle, le champ haute fréquence ayant une pulsation u> telle que T T b qui permet à uns réorganisation de champ électrique importants d'avoir lieu dans le matériau pendant la partie de la période haute fréquence pour laquelle 25 1b champ électrique total dépasse la valeur du seuil. 2. Dispositif à résistance négative selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le champ de polarisation continu non nul Eb satisfait la condition: 30 O E E b max seuil où l'amplitude du champ Eb est supérieure à zéro et soit inférieure, soit égale à l'amplitude du champ maximum E autorisée par l'intégrale, lequel champ rîax est inférieur au champ de seuil ESeuil qui provoquerait la nucléation d'un domaine de champ élevé dans le matériau. 35 .3. Dispositif à ésistance négative selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau est constitué par un semi-conducteur. 69 08604 9 2012940 4. Dispositif à résistance négative selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est constitué d'arséniure de gallium. 5. Dispositif à résistance négative selon la revendication 4, caractérisé en 5 ce que l'arséniure de gallium reçoit des donneurs qui la rendent de type N. 10 15 20 6. Dispositif à résistance négative selon la revendication 5, caractérisé en ce que la concentration en impuretés des donneurs est de 10 3 par cm . 15 atomes environ 7. Dispositif à résistance négative selon la revendication 6, caractérisé par une résistance de charge montée en série avec le matériau et le moyen d'application du champ de polarisation continue non nul E,» cette résistance de □ charge R satisfaisant la condition : L Mat - a (EHF3 où ~R|v]at est la résistance négative du matériau, et par des contacts ohmiques qui permettent de faire le contact électrique au matériau, à savoir l'arséniure de gallium. 8. Dispositif à résistance négative selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ de polarisation continu non nul E^ et le champ haute fréquence 2^ E^p sont appliqués simultanément au matériau, le champ de polarisation continu non nul E, satisfaisant la condition : □ E E | E b Max seuil où l'amplitude du champ de polarisation continu non nul E^ est supérieure à 30 zéro et soit inférieure, soit égale à l'amplitude du champ maximum E„ autori- Max sé par l'équation intégrale, lequel champ est inférieur au champ de seuil ^seuil Provoc!UGrait nucléation d'un domaine de champ élevé dans le matériau. 35 9. Mémoire caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un dispositif à résistance négative ayant des caractéristiques bistables, un état représentant l'état binaire 1 et l'autre état représentant l'état binaire D, un moyen pour appliquer un champ haute fréquence au dispositif, des moyens pour appliquer un champ continu non nul,audit dispositif, le champ haute fréquence et le champ 40 continu permettant au dispositif de présenter des caractéristiques' a résistan 69 08604 10 2012940 ce négative, et un moyen pour lire et écrire les états 1 ou 0 du dispositif bistable. 10. Mémoire selon la revendication 9 dans laquelle le dispositif bistable est 5 monté dans un guide d'ondes, le champ haute fréquence étant un champ d'ondes stationnaires, ce dispositif bistable étant placé en un ventre du champ électrique haute freauence. 11. Mémoire selon la revendication 10 dans laquelle le dispositif bistable 10 est monté dans un guide d'onde, et le champ haute fréquence est un champ progressif.