Brevet FR2006880A1 — publié le 19700102

La présente invention se rapporte à un dispositif à semi-conducteur destiné à engendrer des courants ayant une forme d'onde prescrite, comprenant une plaquette de semi-conducteur pro pre à former et à propager des domaines de champ électrique. 5 Des courants ayant des formes d'ondes spéciales ou par ticulières, appelés fonctions de courant, sont utiles dans un certain nombre de systèmes tels que calculateurs analogiques, cir cuits de logique, équipements d'essais et sources de courant pour dispositifs d'affichage. Pour certaines applications, des impul-10 sions de durée extrêmement courte et ayant une vitesse de répétition élevée sont requises. L'allure et la fréquence d'ondedésirée sont obtenues normalement par l'élaboration de circuits relativement complexes impliquant l'utilisation de nombreux dispositifs électroniques passifs et actifs. 15 On a déjà proposé un générateur de fonction de courant à vitesse élevée comprenant un cristal de semi-conducteur à deux vallées contenu entre des contacts ohmiques opposés. Lorsqu'une tension continue suffisante est appliquée au cristal, un domaine de champ électrique étroit .se trouve formé au contact de cathode 20 et se déplace vers l'anode avec une vitesse sensiblement constante et une densité de courant sensiblement constante. Durant le transit de ce domaine de la cathode vers l'anode, le courant traversant le dispositif baisse jusqu'à une valeur relativement faible qui est fonction de la surface de la section du dispositif au 25 droit du domaine. Le courant de sortie dépend par conséquent de la surface de la section du dispositif et il constitue donc une image de celle-ci. Lorsque le domaine disparaît à l'anode, une impulsion aiguë est envoyée vers le circuit extérieur. Ce dispositif présente l'avantage qu'il permet d'engen-30 drer des ondes de courant ayant une forme prescrite en réalisant une plaquette de cristal de même forme et on évite ainsi la nécessité de circuits extérieurs compliqués. Ce dispositif présente cependant le désavantage que la plaquette de cristal peut dans certains cas être difficile à pro-35 filer et que l'impulsion qui se produit durant chaque cycle a la miê.ne polarité que l'onde désirée. De ce fait il est difficile de traiter l'onde de sortie afin d.'en éliminer l'impulsion aiguë sans l'affecter. Ce problème a été résolu dans un dispositif à semi-con-4° ducteur du type considéré en prévoyant une électrode: pour engen 69 11450 2 2006880 drer des courants de sortie ayant une forme prescrite, cette électrode étant connectée capacitiveme-nt à une région de la plaquette de semi-conducteur le long de laquelle se propagent les domaines, au moyen d'une couche diélectrique. Le produit de la 5 largeur de l'électrode dans une direction transversale à la direction de propagation des domaines et de l'épaisseur de la couche diélectrique varie suivant une fonction prédéterminée de la distance dans la direction de propagation des domaines et il détermine la forme d'onde prescrite. 10 D'une façon plus spécifique, on a constaté à présent que les fonctions de courant peuvent être engendrées par couplage capacitif à la plaquette active d'un dispositif à semi-conduc-t,eur à deux vallées, d'une électrode ayant une forme qui correspond à la fonction de courant désirée. Par exemple, si une élec-15 trode triangulaire est liée à une mince couche diélectrique recouvrant une surface d'une plaquette de semi-conducteur à deux vallées, et si des domaines sont engendrés dans la plaquette, des impulsions triangulaires peuvent êbre dérivées de l'électrode. Comme il est plus facile de fabriquer des"électrodes planes 20 ayant une configuration impaire que des cristaux de semi-conduc-teurs à deux vallées ayant une configuration similaire, la présente invention offre l'avantage d'une plus grande simplicité de fabrication. De plus, on mont,re que l'onde dérivée à une polarité qui est opposée à celle de l'inévitable impul-25 sion aiguë, ce qui permet d'éliminer celle-ci plus facilement du train d'onde de sortie si on le désire. Bien que du point de vue pratique les ondes de sortie soient déterminées par la forme de l'électrode de sortie et par l'épaisseur du diélectrique, ces ondes sont réellement fonction 30 d'un paramètre de forme d'onde {L V ¥v0M) , où £ est la constan- r* te diélectrique de la couche diélectrique, V est la chute, de tension sur le domaine de champ électrique en propagation, ¥ est la largeur de l'électrode de sortie, Vq est la vitesse du domaine et d est l'épaisseur de la couche diélectrique. Dans l'exemple 35 donné ci-dessus, seule la largeur ¥ de l'électrode varie avec la distance pour donner une impulsion de sortie triangulaire, les autres facteurs du paramètre de forme d'onde étant supposés uniformes. Toutefois, les impulsions de sortie peuvent également être conformées en utilisant une constante diélectrique t non 4o uniforme ou une épaisseur d non uniforme comme on le verra plus 69 11450 3 2006880 en détails plus loin. Pour de nombreuses applications on désire engendrer des impulsions tells que des impulsions rectangulaires qui sont exemptes d-irrégularités ou de bruit résultant de non uniformités de 5 la concentra-cicn d'impureté du cristal. Comme les non uniformités de doppge entraînent des fluctuations de la tension V , la compen-sation des effets de ces non uniformités peut être réalisée en réglant la variation de la largeur W de 17électrode pour donner un produit V x W uniforme. Une impulsion rectangulaire uniforme 10 peut alors être dérivée de l'électrode malgré les fluctuations de la concentration de contamination du cristal. Dans d*autres formes de réalisation un dispositif com= porte deux électrodes de sortie de formes différentes afin d'al-terner des impulsions d'une première forme avec des impulsions 15 d-une autre forme. Dans une autre forme de réalisation le courant dérivé de deux électrodes de sortie d'un seul dispositif est fourni à deux charges différentes. Le retard entre des impulsions correspondantes est une fonction directe des emplacements relatifs de 20 l'électrode de sortie sur la plaquette. Par exemple, lorsque les deux électrodes sont situées à la même distance longitudinale de la cathode, le courant est fourni aux deux charges en phase et en synchronisme. L'invention apparaîtra plus clairement à la lecture de 25 le description qui va suivre, faite en regard des dessins joints dans lesquels: - la figure 1 illustre une première forme de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 2 est un diagramme de la largeur ¥ de 30 l'électrode de sortie en fonction de la distance x; - la figure 3 est un diagramme du potentiel V de la JT plaquette en fônction de la distance; - la figure 4 est un diagramme du courant de sortie I du dispositif seion la figure 1, en fonction dii temps t; 35 - la figure 5 illustre une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 6 est un diagramme du courant de sortie I du dispositif selon la figure 5 , en fonction du temps t; ' - la figure 7 illustre une troisième forme de réalisais tion du dispositif selon l'invention; " " 69 11450 À 2006880 -• la figure 8 illustre une quatrième forme de réalisation du dispositif selon l'invention; - /, - '- la figure 9 est un diagramme du courant dè sortie I du dispositif selon la figure 8, en fonction du temps t; -5 -la figure 10 illustre une cinquième forme de réalisa tion du dispositif selon l'invention. - La figure 1 montre une forme de réalisation de l'invention comprenant une plaquette 11 comprise entre un contact de cathode 12 et un contact d'anode 13 qui sont connectés à une sour-10 ce de polarisation convenable 14. La plaquette 11 est constituée d'un cristal de semi-conducteur à deux vallées tel qu'un cristal d'arséniure de gallium de type n_ propre à engendrer et propager des domaines de champ électrique en réponse à une tension de polarisation appliquée élevée. Ainsi qu'on le sait, pour l'arséniure 15 de gallium de typé n la contamination du dispositif doit être raisonnablement uniforme, elle doit être exempte de toute barrière de redressement, et le produit de la concentration de contamination et de la longueur entre les contacts opposés doit être 12 plus grand que 10 porteurs par centimètre carré approximative-20 ment. Dans ces conditions, et avec la source 14 fournissant une tension de polarisation qui dépasse un seuil déterminé, le domaine de champ électrique se trouve engendré près du contact de cathode 12 et se propage vers le contact d'anode 13 dans une direction qui doit être prise comme direction x. Lorsque le domaine 25 16 disparaît au contact d'anode 13, un autre domaine se forme à la cathode et le processus se répète. Sur une surface de la plaquette 11 se trouve une couche diélectrique mince 17 sur laquelle est liée une électrode de sortie 18. Une résistance de charge R^ est connectée entre l'élec-30 trode 18 et la cathode. La résistance de charge peut elle-même constituer une charge pour le courant d'utilisation dérivé de l'électrode 18 ou bien la tension développée sur la résistance de charge peut être dirigée vers une charge pour y être utilisée. Si l'on suppose que la plaquette 11 a une section trans-35 versale sensiblement uniforme et une concentration de contamination uniforme, et que la couche diélectrique 17 a une épaisseur et une constante diélectrique sensiblement uniformes, la-fônction de courant appliquée à la résistance de charge R^ aura une forme qui correspond à celle de l'électrode 18. Comme le montre la figu-4o re 2, l'électrode 18 a une largeur ¥ qui est fonction de la dis- 69 11450 5 2006880 "tance x entre les emplacements x^ et Xg. Lorsque le domaine 16 en propagation se déplace d'une distance dx,il induit des courants dans l'électrode 18 par suite de la chute de tension V sur le do-maine 16 comme le montre la figure 3. Lorsque le domaine se dépla-5 ce de la distance dx, la charge sur l'électrode 18 varie d'une quantité AQ donnée par AQ = f(x)dx (1) 10 où t est la constante diélectrique de la couche 17, d est l'épaisseur de la couche diélectrique 18, W (largeur de l'électrode) est une fonction f{x) de la distance x comme montré sur la figure 2. Comme la position du domaine est une fonction de 1? vi- 15 tesse constante Vq du domaine, le courant I dérivé de l'électrode 18 peut s'exprimex'" comme suit: IV I = -jjE v0f(v0t) (2) 20 où t est le temps et x = v^t. L'équation (2) peut donc s'écrire: I a (£VpWv0 / d) (3) 25 Le membre de droite (^-VpWvQ / d) peut être considéré comme étant un paramètre de la forme d'onde puisque si l'un quelconque des facteurs qui le composent varie avec la distance, le courant I varie proportionnellement au temps. Si l'on suppose que seule la largeur ¥ de l'électrode varie avec la distance, la forme 30 d'onde du courant sera une image de la forme de l'électrode. C'est ce qu'illustre la figure 4* (variation du courant I dans la résistance de charge en fonction du temps t) sur laquelle les impulsions 20 sont sensiblement l'image de la forme de l'électrode illustrée sur la figure 2. 35 Comme chaque domaine 16 successif disparaît à l'anode 13, une impulsion de courant aiguë 21 est induite dans l'électrode 18 par suite de la variation brusque de distribution du potentiel dans la plaquette. Toutefois, contrairement aux impulsions produites par le générateur de fonction de courant mentionné pré-cédemment, les impulsions 21 sont de polarité opposée à celle des 69 11450 6 2006880 impulsions 20 et, elles peuvent dès lors être facilement éliminées par le circuit extérieur si on le désire. Un dispositif du type illustré sur la figure 1 a été réalisé simplement en utilisant une bande de polyéthylène adhésif 5 pour lier l'électrode de sortie à une face d'une plaquette de semiconducteur à deux vallées. Le courant de sortie était relativement faible en raison de l'épaisseur de la bande de polyéthylène et- il est recommandé qu'un mince revêtement d'oxyde ou analogue soit utilisé comme couche diélectrique pour rendre la sortie maximum. 10 Comme le montre clairement la relation (3), le paramètre de forme d'onde peut varier avec la distance x en faisant varier l'un quelconque des paramètres t, V , Vq et d avec la distance, en plus de la largeur ¥ de l'électrode. Une variation de t requiert évidemment une couche diélectrique ayant une constitution non uni- 15 forme déterminée, qui est assez difficile à réaliser. La tension V ' P sur le domaiùe est une fonction de la surface de la section transversale de la plaquette et elle peut par cnnséquent varier avëc la distance en utilisant une plaquette de section transversale non uniforme. La tension V est également fonction de la concentration 20 de contamination de la plaquette, et une concentration non uniforme donne ainsi lieu à un courant de sortie non uniforme. La figure 5 illustre un dispositif dans lequel l'épaisseur d de la couche diélectrique varie en fonction de la distance afin de fournir une onde de sortie comme illustrée sur la figure 6. 25 L'épaisseur de la couche diélectrique 22, qui est liée à l'électrode de sortie 23, varie par échelons. Si l'on suppose que les autres paramètres du dispositif sont uniformes, on obtient ainsi des impulsions de sortie 24, illustrées sur la figure 6, qui sont également des fonctions à échelons. -30 Etant donné la difficulté relative de réaliser une con centration de contamination non uniforme déterminée dans une plaquette de semi-conducteur à deux vallées, on n'escompte pas que cette façon de faire varier le paramètre V soit un procédé .t intéressant pour engendrer-des fonctions de courent. Toutefois, 35 dans la plupart des dispositifs à semi-conducteurs à deux, vallées que l'on réalise actuellement, de petites non uniformités de la concentration de contamination existent et constituent une source de bruit dans le courant engendré. De la relation (3) on pèut voir que le paramètre ¥ peut varier en sorte de compenser les ^0 fluctuations de la tension afin de maintenir constant le 69 11450 7 2006880 paramètre de forme d'onde tout entier. Ce cas est illustré sur la figure 7 sur laquelle l'électrode 26 a une largeur non uniforme qui est fonction de x et compense les fluctuations de 1? concentration de contamina- . 5 tion dans la direction x. De cette façon le courant fourni à la charge R^ est constant durant le transit de chaque domaine vers l'électrode de sortie de sorte que ce sont des impulsions rectangulaires exemptes de bruit qui se trouvent appliquées à la à la charge malgré les fluctuations de la concentration de con-10 tamination dans la plaquette. Une compensation correcte est obtenue lorsque le produit W.V est sensiblement uniforme avec la -distance, ou d'une façon plus explicite, lorsque le paramètre de forme d'onde est uniforme. Tous les générateurs de-fonction de courant qui sont 15 actuellement connus engendrent des ondes ou impulsions récurrentes qui ont toutes la même forme de courant, et si l'on souhaite alterner des impulsions ayant une première forme avec des impulsions ayant une autre forme, il est nécessaire de prévoir des circuits plutôt élaborés pour combiner les impulsions de sortie 20 de deux générateurs. Comme le montrent les figures 8 et 9, il est très facile avec la présente invention d'engendrer un train d'ondes consistant en impulsions alternées de formes différentes. L'électrode de sortie 28 sur la figure 8 a une forme différente de celle de 25 l'électrode de sortie 29 à laquelle elle est directement connectée. Lorsqu'un domaine passe par l'électrode de sortie 28, une impulsion 31, illustrée sur la figure 9, se trouve engendrée, et lorsque le domaine passe par l'électrode de sortie 29, c'est une impulsion 32 qui est engendrée. On voit sur la figure. 9 que bien 30 qu'étant récurrentes, les impulsions 31 et 32 sont alternées. De nombreux systèmes électroniques requièrent que des impulsions de courant soient fournies à une charge en même temps que des impulsions de courant sont fournies à une charge différente. Cela peut être réalisé très facilement par le dispositif 35 illustré sur la figure 10, dans lequel des électrodes de sortie identiques 35 et 36 sont couplées capacitivement à une plaquette 37 en des emplacements situés à des distances identiques de la cathode 38 et de l'anode 39. Dans ce cas, les domaines vont balayer les électrodes 35 et 3.6 exactement au même instant et engen-40 dreront dans les charges R^.] et R^ des courants qui seront en 69 11450 8 2006880 phase. Il est évident qu'en plaçant l'électrode 36 en un emplacement différent de celui- de l'électrode 35, on peut créer avec précision un déphasage entre les impulsions dé courant appliquées à la charge et celles qui sont appliquées à la charge RL2 * 5 Ainsi, si l'électrode 36 est située plus loin de la cathode 38 que l'électrode 35, disons d'une distance Ax, les impulsions arrivant à la charge R^ seront retardées par rapport aux impulsions arrivant à la charge R^ d'un laps de temps égal à Ax/vq. Dans ce qui précède on a supposé que les seuls courants 10 engendrés dans les électrodes de sortie sont des courants de déplacement résultant du couplage capacitif entre la plaquette et les électrodes de sortie. Si la couche diélectrique n'est pas un bon isolant, des courants de conduction s'écouleront entre la plaquette et l'électrode, qui modifieront le signal de sortie d'une 15 manière qui peut être aisément établie par l'homme de l'art. De plus, les principes de l'invention peuvent être utilisés avec des matériaux piézoélectriques à résistance négative qui utilisent l'interaction entre phonons et porteurs de charges. 69 11450 9 2006880 REVENDICATIONS. 1»= Dispositif à semi-conducteur destiné à engendrer des courants ayant une forme d'onde prescrite, comprenant une plaquette de semi-conducteur propre à former et à propager des 5 domaines de champ électrique, caractérisé en ce qu'il comporte une électrode (18, 23, 26, 28, 29, 35) pour engendrer des courants de sortie ayant une forme prescrite, cette électrode étant couplée capacit'ivement à une région de le plaquette de semiconducteur le long de laquelle se propagent les domaines^ au moyen 10 d'une couche diélectrique (17, 22), le produit de la largeur de l'électrode dans une direction transversale à la direction de propagation des domaines et de l'épaisseur de le couche diélectrique variant suivent une fonction prédéterminée de la distance dans la direction de propagation des domaines et déterminant la forme 15 d'onde prescrite. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche diélectrique a une épaisseur et une constante diélectrique sensiblement uniformes, et en ce que la plaquette a une section transversale de surface sensiblement uniforme dans 20 un plan transversal à la direction de propagation des domaines ainsi qu'une concentration de contamination sensiblement uniforme, de sorte que la forme des impulsions de courant de sortie (20, 24, 31, 32) dérivées de ladite électrode soit l'image à peu'près exacte de la forme de ladite électrode. 25 3.-= Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite électrode est une première électrode (35, figure 10), les courants de sortie étant des premières impulsions de courant appliquées à une première charge (RL1> connectée à la première électrode, en ce qu'une seconde charge (Rj^) est prévue et 30 en ce qu'il comporte une seconde électrode (36) pour engendrer et appliquer à la seconde charge des impulsions de courant qui sont synchronisées avec les premières impulsions de courant, cette seconde électrode étant couplée à line région de la plaquette de semi-conducteur par la couche diélectrique. 35 4«- Dispositif selon la revendication 3, dans lequel des positions opposées de la plaquette de semi-conducteur sont munies de contacts d'anode et de cathode respectivemert, caractérisé en ce que la seconde électrode est séparée du contact de cathode de la même distance dans la direction de propagation des do-^0 maines que la première électrode, de telle sorte que chaque seeon» 69 11450 10 2006880 de impulsion soit engendrée au même instant qu'une première impul-. sion correspondante. 5.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite électrode est une première électrode (28), les cou-5 rants de sortie étant des premières impulsions de courant (31) appliquées à une charge (R^), en ce qu'il comporte une seconde électrode (29) pour engendrer des secondes impulsions de courant ayant des formes qui diffèrent de celles desdites premières impulsions de courant, cette seconde électrode étant écartée de la première 10 électrode suivant la direction x et ayant une forme qui diffère de celle de la première électrode, et en ce que la seconde électrode est connectée à la première électrode en sorte que les secondes impulsions (32) appliquées à la charge alternent avec les premières impulsions. 15 6.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit de la constante diélectrique de la tension V sur le domaine, de la largeur ¥ de l'électrode, de la vitesse Vq du domaine en propagation, divisé par l'épaisseur d du diélectrique constitue un paramètre de forme d'onde (6 V^Vg/d), et en ce 20 que ce paramètre varie dans la région le long de la plaquette de semi-conducteur suivant la direction de propagation des domaines, en fonction de la distance d'une façon sensiblement identique à une variation prescrite de l'amplitude de crête des impulsions de courant de sortie en fonction du temps. 25 7.- Dispositif à semi-conducteur dans lequel des domai nes de champ électrique se propagent dans une plaquette de semiconducteur suivant une direction x entre les contacts d'anode et de cathode, engendrant ainsi dans les contacts un courant qui oscille entre une valeur relativement faible pendant le temps de 30 transit de chaque domaine, et une valeur relativement élevée lorsque chaque domaine disparaît, mais dans lequel le courant fluctue autour de cette valeur relativement faible en raison des inégalités de la densité de contamination dans la plaquette de semiconducteur, caractérisé en ce qu'une électrode (26) est couplée 35 à la plaquette de semi-conducteur par voie capacitive et s'étend dans la direction x entre des positions x^ et cette électrode ayant une largeur ¥ dans une direction transversale à la direction Xj en ce qu'un circuit de sortie (R^, F.7) destiné à dériver des impulsions de courant, est connecté à cette éLectrode, en ce 4q que la largeur Vf de cette électrode n'est pas uniforme en fonction 11450 n 2006880 de la distance, et en ce que le produit de la largeur ¥ et de la densité de contamination de la plaquette de semi-conductëur en des emplacements successifs entre et Xg est sensiblement uniforme de telle sorte que les non uniformités de 1?olectrode compensent les inégalités de la densité de contamination de la plaquette afin de réduire le bruit dans l'impulsion tfe sortie. BAD ORIGINAL