Brevet FR2000398A1 — publié le 19690905

' 2000398 La présente invention concerne des dispositifs à semiconducteurs. Il existe actuellement une très large gamme de dispositifs électroniques qui utilisent des semi-conducteurs„ Deux types 5 importants" comprennent (1) des dispositifs avec deux bornes qui présentent une résistance négative (c'est-à-dire qu'il existe une gamme d'intensité et de tension dans laquelle une augmentation de courant à travers le dispositif est accompagnée par une diminution de la tension aux bornes du dispositif) et (2) des disposi-10 tifs avec trois bornes ou plus où un signal électrique appliqué V une paire de bornes peut produire un signal plus puissant à partir d'une autre paire. La diode à effet tunnel est un élément du premier groupe de dispositifs, et le transistor à jonction appartient au second groupe. Des applications courantes pour ces dispositifs 15 sont des amplificateurs, des oscillateurs, et pour la commutation» On peut fabriquer des dispositifs de façon qu'ils traitent une large gamme de puissances maximales et qu'ils présentent de grandes vitesses de fonctionnement maximales. Cependant, pour diverses raisons, on n'obtient pas facilement les propriétés souhaitables qui sont 20 la faculté de traiter une grande puissance et un fonctionnement à grande vitesse da^s le même dispositif, et en pratique, l'une d'elles doit être exploitée en fonction de l'autre. La présente invention a notamment pour but de fournir un dispositif à semi-conducteur ayant la possibilité de fonctionner 25 à des vitesses élevées, sans qu'il soit limité à de très faibles niveaux de puissance. Suivant la présente invention^ on fournit un dispositif à semi-conducteur comprenant un corps de matière semi-conductrice qui est m semi-conducteur intrinsèque du type de conductivité dans 30 letjuel les porteurs minoritaires produisent une multiplication en avalanche à de plus faibles intensités du champ électrique que les porteurs majoritaires sur lequel est formée une première électrode fortement dopée du même type de conductivité que le corps et une seconde électrode fortement ;dopée» ; 35 Quel que soit le type îde conductivité du corps et de la pre mière électrode, la conductivité de la seconde électrode peuk être du type p"5 ou du type n+ e De préférence, la surface de la première électrode est supérieure à celle de la seconde électrodea Le dispositif peut comprendre en outre une troisième élec-40 trode capable à:injecter des porteurs du type de conductivité 2000398 2 opposée à celui du corps dans la région proche de la première électrode située entre la première électrode et la seconde électrode. On va décrire maintenant à titre d'exemples, des formes de réalisation de l'invention en se référant aux dessins annexés sur 5 lesquels : la figure 1 est une coupe transversale ; et La figure 2 est une vue en plan d'un dispositif à semiconducteurs à deux bornes ; La figure 3 est une coupe transversale ; et 10 La figure 4 est une vue en plan d'une variante d'un disposi tif à semi-conducteur à deux bornes f Les figures 5 ét 6 sont des vues en plan de deux autres variantes de dispositifs à semi-conducteur à deux bornes ; La figure 7 est un graphique montrant la relation tension/ 15 intensité dans ion dispositif à semi-conducteur à deux bornes ; Les figures 8 et 9 sont des vues en plan de deux dispositifs à semi-conducteur à trois bornes ; et La figure 10 est une coupe transversale d'un dispositif optoélectronique à quatre bornes. 20 II est possible de considérer la conduction électrique dans les semi-conducteurs comme étant due en partie à la conduction par des porteurs chargés négativement (électrons) et en partie à des porteurs chargés positivement (trous). Dans un champ électrique intense8 certains porteurs atteignent des niveaus d'énergie 25 élevés et sont capables de provoquer un processus d'ionisation qui engendre un trou et un électron. La répétition de ce processus provoque la multiplication des porteurs. Toutefois, dans certains cas, la vitesse à laquelle ces processus d'ionisation se produisent peut être très différente (avec le même champ 30 électrique) pour les trous et les électrons. La présente invention tire profit de la différence des vitesses d'ionisation. La restriction imposée au semi-conducteur est due au fait qu'à la température à laquelle le dispositif doit fonctionner, le semi-conducteur doit présenter une conduction intrinsèque» 35 Comme exemples de matières appropriées, on peut citer (1) 1'anti-moniure d'indium du type p (à n'utiliser qu'à des températures inférieures à 150°E environ), (2) 1'arséniure d'indium du type p, l'arséniure de gallium et des alliages de ces Matières (à 'utiliser jusqu'à des températures plus élevé-©-périeiares 40 à 40°C<> dans certains cas)* (5) des 3 ar sciure d'indium 69 00798 2000398 et de p.hosphure d'indium du type p (à utiliser également jusqu'à des températures plus élevées). La température maximale à laquelle une matière particulière quelconque peut être utilisée est limitée par le début de la conduction intrinsèque à une 5 température approximativement proportionnelle à l'énergie du semi-conducteur dans l'intervalle de la bande. Par conséquent, on doit utiliser des matières présentant de plus grandes énergies dans l'intervalle de la bande lorsque des températures de fonctionnement plus élevées sont nécessaires. 10 Les dispositifs fonctionnent mieux si le rapport de la vitesse d'ionisation pour les porteurs minoritaires à la vitesse d'ionisation pour les porteurs majoritaires (avec le même champ électrique) est aussi grand que possible. Cette condition fait que certains semi-conducteurs sont plus utiles que d'autres. 15 La figure 1 représente une coupe transversale et la figure 2 est une vue en plan d'un dispositif à semi-conducteur à deux bornes suivant l'invention. Un fragment plat d'un semi-conducteur 1 du type p présente une cathode circulaire 3 d'un côté et une anode circulaire 5 de l'autre côté et juxtaposée à la catho-20 de 3» La surface de l'anode 5 est de préférence inférieure à celle de la cathode 3. Il est très important que la cathode 3 (qui constitue le contact négatif) n'injecte pas les électrons dans le semiconducteur 1• La matière de contact de la cathode 3 et le pro-25 cessus d'établissement du contact doivent former une région du type _p fortement dopée du semi-conducteur 3 au voisinage de la masse du semi-conducteur 1. Un tel contact (appelé contact p+) satisfait à la condition d'injecter très peu ou pae d'électrons dans le semi—conducteur 1. Des exemples de procédés de 30 préparation d'un contact p+ sont les suivants : (1) la croissance en solution ou la croissance épitaxiale sur la surface semi-conductrice d'une couche de semi-conducteur présentant une forte concentration d'impuretés du type accepteur, (2) la diffusion d'impuretés du type accepteur dans la couche superficielle du 35 semi-conducteur, ou (3) l'alliage d'un métal contenant des impuretés du type accepteur ou qui est lui-même un accepteur pour le semi-conducteur. Comme exemples des impuretés du type accepteur, on- peut citer le zinc et le cadmium, pour 1 ' antimoniure d'indium et l'arséniure de gallium. 40 L'anode 5 peut être de l'un ou l'autre type de conduc— 69 00798 2000398 4 tivité, c'est-à-dire qu'elle peut être du type ]3+ ou du type n+ « Un contact n+ n'injecte que très peu de trous dans le semiconducteur, Il est formé par des processus analogues à ceux utilisés pour former un contact p+, mais avec des impuretés du type 5 donneur (telles que le tellure ou l'étain pour 1'antimoniure "d'indium) à la place d'impuretés du type accepteur. Très souvent, le fonctionnement d'un dispositif présentant une anode du type est supérieur à celui d'un dispositif présentant une anode du type P+ . 10 Les surfaces réelles de l'anode 5 et de la cathode 3 dé pendent de leur écartement„ La forme géométrique détaillée dépend de l'application à iaquelle le dispositif est destiné. Les contacts peuvent se trouver du même côté ou sur les côtés opposés, du semi-conducteur, et ils peuvent être simples ou sous la 15 forme d'une configuration. La figure 3 est une coupe transversale et la figure 4 est une vue en plan d'une variante d'un dispositif à semi-conducteur ." à deux bornes suivant l'invention. Dans ce dispositif, l'anode 5 est sous la forme d'une grille recouvrant la même surface globale 20 que la cathode 3» mais n'établissant un contact réel qu'avec une partie seulement de la surface. Les figures 5 et 6 sont des vues en plan de deux autres dispositifs à deux bornes suivant l'invention. Dans ces deux dispositifs, l'anode 5 se trouve du même côté du semi-conducteur 1 25 que la cathode 3 ; dans le dispositif représenté sur la figure 5» aussi bien l'anode 5 que la cathode 3 occupent des surfaces rectangulaires d'une face du semi-conducteur 1, et dans le dispositif représenté sur la figure 6, l'anode 5 est de forme circulaire et occupe une surface dans un trou circulaire ménagé dans la surface 30 de la cathode 3» Les dimensions.linéaires des contacts et l'épaisseur du semi-conducteur peuvent être comprises entre 5 et 100 microns. Pour des contacts ayant la forme d'une trame, les détails de la trame (par exemple la répétition de la configuration d'une grille) 35 mais non la dimension globale, seraient compris dans cette gamme» Le dispositif peut être construit de la façon suivante : * Lorsque l'anode 5 et la cathode 3 se trouvent;sur les côtés opposés du semi-conducteur 1, une cathode recouvrant tout un côté peut être formée par croissance du semi-conducteur 1 sur un 40 substrat du type p+ . Le substrat est la cathode 3» 69 00798 5 2000398 Selon une variante, lorsque l'anode 5 et la cathode 3 se trouvent du même côté du semi-conducteur 1, ce dernier peut être obtenu par croissance sur un substrat isolant (par exemple de 1*araéniure de gallium ou un alliage d'arséniure de gallium et 5 d'arsénium d'indium peut être développé par croissance sur un substrat d'arséniure de gallium semi-isolant)» le substrat fournit tut isolation électrique par rapport à la matière de support, nll est utile pour former un contact thermique avec cette dernière le dispositif agit de la façon suivante : des électrons ne 10 sont pas injectés depuis la oathode 3» mais sont engendrés par des processus d'ionisation à l'intérieur du semi-conducteur 1. les électrons peuvent eux-mêmes produire des processus d'ionisation. 1*8 ionisations successives amplifient le nombre des électrons à Msure qu'ils se déplacent en direction de 1*anode 5<> Etant 15 donné que les électrons provoquent plus facilement des ionisations les trous» le champ nécessaire pour maintenir une vitesse d'ionisation dininue à mesure que la densité des électrons augmente» On peut noter que la diminution du champ nécessaire pour maintenir me vftesse d'Ionisation donnée assure ®ie diminution 20 du champ sur une grande partie (mais pas la totalité) du semiconducteur à ©asara que .l'intensité augmente à travers le semiconducteur ; s'eat-^à'-Sire ou'une résistance négative apparaît dans la caractéristique intensité/tension. la figure 7 contre -on graphique d'une caractéristique 25 intensité/tension, possible- £&mm courant ne circule à travers le dispositif taat que la tension aux, bornes du dispositif n'augmenta pas au-dearrus da zéro0 la tension aux bornes du dispositif s&gmsnte rapidement avec .l'augmentation de l'intensité • Au peint A du graphique oii la tension est 7^ et l'intensité 30 la tension diminue à c-oeure eue 1'intensité augmente jusqu'au point B où la tension est Yri et l'intensité Xg. Au point B, la tensicr- .œiasente de aoïwesu avec l'augmentation de l'intensité, sais plus lentoai-mt qu'an débute Im, partie du. graphique comprise entre le point A. et le point B est une partie de 35 résistance négativs du graphique® les diepepitifs à dsts - bennes décrits ci-dessus en se référant • «k fiarares 1-> 2- 5 et 6 peuvent être utilisés par exemple coeme élément? actifs den? des a«splificat©ûrss> des ©fssillat'ettrs et 'des d'isgelsiîmso Ils. peuvent 40 être 1* ^orpoTéa d^n" ^.rsettant une commutation 69 00798 2000398 6 d'un état de faible intensité à un état de forte intensité, ou inversement» Ces circuits peuvent être utilisés comme mémoires, par exemple dans des ordinateurs» le fonctionnement réel du dispositif dépend naturellement 5 du circuit dans lequel le dispositif est incorporé. Il existe une vitesse maximale à laquelle un dispositif quelconque fonctionne qui dépend des dimensions du dispositif du semi-conducteur et de la température de fonctionnement. Le dispositif peut être utilisé comme commutateur pour 10 des signaux à hyperfréquence. lorsque le courant passant à travers le -dispositif est de faible intensité (inférieure à sur la figure 7), la différence d'impédance du dispositif est beaucoup plus grande'que lorsque l'intensité est élevée. Il existe une grande différence d'impédance pour les fréquences 15 supérieures ainsi qu'inférieures à la fréquence maximale pour laquelle le dispositif présente une résistance négative. Cette différence d'impédance peut être utilisée pour la commutation de signaux à hyperfréquences d'une façon analogue à celle d'une diode du type PIN, la vitesse à laquelle le dispositif peut 20 être commuté de l'état de faible impédance à lfétat de forte impédance (ou inversement) est limitée par le temps de réaction du dispositif au cours, de son fonctionnement avec une résistance négative» ; Pour de nombreux dispositifs fonctionnant à grande vites-25 se (par exemple des transistors à haut© fréquences des diodes à effet tunnel), le volume du semi-conducteur actif est très faible, ce qui limite.sévèrement la puissance maximalè que le dispositif peut traiter, la limitation de la puissance des impulsions ainsi que de la puissance moyenne est très importante 30 én pratique® le dispositif à deux bornes décrit dans la présente demande a un beaucoup plus grande volume de semi-conduc» teur actif (étant donné qu'il est physiquement un dispositif à grand volume de matière) que les dispositifs classiques fonctionnant à grand© vitesse» Ls problème posé par le refrai— 35 dis semant du serai-conducteur n! est pas plus difficile à résoudra ■ qu© pour les autres dispositifs soumtso conséquence, la capacité d© traitement de puissant;® ôi dispositif, en particulier sa cours d'un fonctionnement à ispuleie-is.c Si-t- sajPrieure à e@l° 19 de la plupart dos dispositifs actifs âi - -=1!^ Q 40 • La 69 00798 y 2000398 semi—conducteur à trojs bornes suivant l'invention. La construction est analogue à celle décrite ci«r>dessus en se référant à la figure 5» excepté qu'au lieu d'une seule cathode 3 du type p+, il y a deux cathodes 2A et 3B du type p+, et entre elles.un 5 contact 7 du type n+ constituant l'électrode de commande. En fonctionnement, les cathodes 3A et 3B sont connectées électriquement ensemble. La figure 9 est une vue en plan d'un autre dispositif à semi-conducteur à trois bornes suivant l'invention. La construc-10 tion est analogue à celle décrite ci-dessus en se référant la figure 6, excepté qu*il y a un contact annulaire 7 du type n^* qui constitue l'électrode de commande sur la matière semi-conductrice 1 entre les bords de la zone de contact de la cathode 3 et de la zone de contact de l'anode 5. 15 Au cours du fonctionnement des deux dispositifs à trois bornes décrit, l'électrode de commande 7 est utilisée pour injecter les électrons dans la région située près de la cathode entre la cathode et l'anode. Des processus éventuels pour injecter les électrons 20 consistent à rendre l'électrode de commande 7 du type n]1" négative par rapport à la cathode 3» ce qui provoque une injection directe, et selon une variante, à tirer profit de la génération des électrons résultant de l'ionisation dans une région présentant un champ important entre la cathode 3 et l'électrode de 25 commande 7. Un troisième processus consiste à engendrer les électrons en émettant un signal lumineux dans le semi-conducteur 1 près de la cathode. Ce processus peut être utilisé pour engendrer des électrons sans qu'un contact physique soit nécessaire entre l'élément de commande et le semi-conducteur. 30 Le troisième processus peut être utilisé en association avec une diode photo-émissive, et ceci est représenté sur la figure 10, qui est une coupe transversale d'un semi-conducteur optoélectronique à quatre bornes suivant l'invention. Le dispositif est analogue à celui décrit ci-dessus en se référant à 35 la figure 5» mais auquel on a ajouté une diode photo-émissive 9 à proximité de la cathode 3. Ce dispositif a l'avantage de présenter unjisolement total du circuit d'entrée par rapport au circuit de sortie. ; Le fonctionnement des dispositifs à semi-conducteur à 40 trois et quatre bornes est le suivant : 69 00798 8 2000398 Les électrons injectés dans la région située entre la cathode 3 et l'anode 5 sont accélérés en direction de l'anode 5 et ils provoquent des processus d'ionisation sur leur parcours. Le nombre des.électrons atteignant l'anode 5 est plus important que 5 le nombre injecté, et ainsi, un courant amplifié est engendré entre la cathode 3 et l'anode 5. Il existe deux façons différentes d'utiliser le dispositif à trois bornes, qui nécessitent des constructions détaillées différentes. Premièrement, le signal appliqué entre l'électrode de 10 commande 7 et la cathode 3 commande continuellement l'intensité entre 1*anode 5 et la cathode 3. Le dispositif agit comme un amplificateur d'une façon analogue au mode de fonctionnement habituel du type à émetteur commun d'un transistor à jonction* Dans ce mode de fonctionnement, le dispositif à troi3 bornes est plus 15 rapide que la plupart des transistors et peut traiter une plus grande puissance, en particulier au cours du fonctionnement à impulsions, mais le présent dispositif à trois bornes est bruyant en comparaison du transistor.Par conséquent, le dispositif à trois bornes convient mieux pour une amplification de puissance à gran-20 de vitesse, en particulier pour un fonctionnement à impulsions. Dans le second mode de fonctionnement du dispositif à trois bornes, le signal appliqué entre l'électrode de commande 7 et la cathode 3 déclenche le courant entre la cathode 3 et l'anode 5 de l'état de faible intensité à l'état de forte intensité ou inverse-25 ment. Ce mode de fonctionnement est analogue à celui d'un thyris-tor du type PNPN. Il est possible que le dispositif à trois bornes ne puisse pas maîtriser une puissance aussi grande que le thyris-tor, mais il est vraisemblablement beaucoup plus rapide. Dans le mode de fonctionnement déclenche3 le dispositif à trois bornes 30 présente des états stables de faible intensité et de forte intensité g et peut être commuté de l'un à l'autre. Par conséquent,il peut être utilisé comme un élément de mémoire. Le dispositif à trois bornes peut être utilisé comme commutateur hyperfréquence commandé. L'impédance de l'anode à la cathode 35 dépend de l'intensité de la même façon que celle du dispositif à deux bornes et le dispositif à trois bornes peut être utilisé pour commander un signal hyperfréquence comme le dispositif à deux bornes. Un signal appliqué entre l'électrode de commande 7 et la cathode 3, pour un dispositif fonctionnant soit dans le mode de 4-0 commande continue, soit dans le mode déclenché, commande l'intensité de l'anode à la cathode, et par conséquent, l'impédance à hyperfréquences.de lianode à la cathode du dispositif. 69 00798 9 REVENDICATIONS 1. Dispositif semi-conducteur caractérisé en ce qu'il comprend un corps de matière seiai-conductrice qui est on semiconducteur intrinsèque du type de conductivité dans lequel-les 5 porteurs minoritaires produisent une multiplication en avalanche à de plus faibles intensités du champ électrique que les porteurs majoritaires, sur lequel sont formées une première électrode fortement dopée de même type de conductivité que le corps et une seconde électrode fortement dopée. 10 2. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1 et dans lequel la surface de la première électrode est plus grande que celle de la seconde électrode. 3. Dispositif semi-conducteur suivant la revendioatim 1 ou 2 et dans lequel la preaièra électrode et la seconde électrode 15 sont formées sur la même face du corps de matière se-ai-conductrice. 4« Dispositif semi-conducteur suivant la reveadicati m 1, 2 ou 3, et dans lequel la seconde électrode est une électrode du type P+. 5-» Dispositif se:ni-conducteur suivant la revendication 20 1, 2 ou 3, fit dans lequel la seconde électrode est une électrode du type n , 6. Dispositif se-ni-eondueteur suivait l'une quelconque des revendications précédentes., et qui comprend en outre un moyen iJGur injecter dos povte-irs du type de conductivité opposée à 25 celui du corps do matière ssmi-oouduotrice dans ledit corps de matière semi-condt'ctriae au voisinage &@ la première électrode entre la première et la seconds élgotrode- 7. Dispositif semi-conducteur suivant la revendication 6 dans lequel le moyen d'infection est une troisième électrode 30 fortement dopée formée sur le corps ds aatière semi-conductrice. 8» Dispositif semi-cmdttote'ur suivant la revendication 7 ■éi dans lequel la troisième électrode est formée sur la même face du corps de nr.tière semi-conductrice que la première électrode. 3ri 9* Dispositif se»ai« : '■ dans laquai la saoys» d'in.jeot1on compteud une diode capable "1* émettra un fais^e^u "!*isnràe-i3: tomba sur le corps de matière semi-onn-ductric-î au voisinage de la première éleotrode»