Brevet FR2008414A1 — publié le 19700123

La présente invention a trait à un circuit a micro-ondes pour dispositif semiconducteur à accumulation limitée de charge d'espace* Le mode à accumulation limitée de charge d'espace sera dénommé, selon l'habitude, par mode L S A. 5 Antérieurement, on a fait fonctionner des dispositifs semi conducteurs à effet de volume suivant le mode d'accumulation limitée de charge d'espace. Dans ces circuits de l'art antérieur, le dispositif semiconducteur était connecté en parallèle à une inductance et à une charge. On faisait résonner l'inductance au 10 moyen de la capacité du dispositif à effet de volume, à une certaine hyperfréquence. On trouvera une description d'un exemple d'un tel oscillateur de l'art antérieur dans la bande de 5 à 10 GHz (dite bande X) dans un article intitulé "High Power Pulsed Microwave Génération in Gallium Arsenide", Proceedings of the 15 I .E.E.E., Mars 1967» pages k3k et 435» Le mode de fonctionnement dit à accumulation limitée de charge d'espace est également décrit de façon complète dans un article de John A. Copeland intitulé "L S A Oscillator-Diode Theory", Journal of Applied Physics, Volume 38, N° 8 de Juillet 1967, pages 3096 à 3101. 20 Un des problèmes que soulève le circuit à micro-ondes de l'art antérieur, où un dispositif à effet de volume est connecté en parallèle à une inductance et à une charge, tient à ce qu'il est extrêmement difficile de commander un fonctionnement convenable du dispositif sur le mode voulu à accumulation limitée de charge 25 d'espace et à ce que très souvent le dispositif commence par fonctionner suivant un mode indésirable à temps de transit. Les tentatives faites pour surmonter la difficulté de démarrer suivant le mode convenable ont proposé l'emploi d'un réflecteur disposé dans le circuit entre le dispositif et la charge et conçu pour 30 établir une onde stationnaire ayant pour effet de retarder l'application de la charge à la diode jusqu'à ce que des oscillations L S A aient commencé à se produire. On trouvera un exemple d'un tel circuit dans un article de J «A. Copeland et R.R. Spiwak in "International S0iid State Circuits Conférence", Philadelphie, 15 Février 35 1967» Bien que l'utilisation d'un réflecteur entre le dispositif à effet de volume et la charge pour établir une onde stationnaire constitue une voie satisfaisante pour commander le fonctionnement suivant le mode L S A désiré, ce réflecteur constitue une notable complication, dans le circuit à micro-ondes et il reste souhaitable 40 de pouvoir construire un circuit à micro-ondes qui ne présente 69 15470 2 2008414 pas cette complication et qui en conséquence soit de fabrication à la fois plus simple et plus économique. La présente invention a principalement pour objet des perfectionnements d'un circuit à micro-ondes pour dispositif à effet 5 de volume à mode d'accumulation limitée de charge d'espace* Suivant une première caractéristique de l'invention, un circuit à micro-ondes pour dispositif à mode d'accumulation limitée de charge d'espace, comprend une inductance connectée en série avec le dispositif à effet de volume et avec la charge, cette 10 inductance formant avec la capacité du dispositif à effet de volume un circuit résonnant à une fréquence de micro-onde, de façon à faire fonctionner le dispositif à effet de volume suivant un mode d'accumulation limitée de charge d'espace, à l'exclusion de tous autres modes possibles de fonctionnement, ce qui permet 15 d'améliorer la stabilité de fonctionnement dudit dispositifs Suivant une autre caractéristique de l'invention, le circuit à micro-ondes est constitué par un tronçon de ligne coaxiale et ladite inductance, qui est connectée en série avec ledit dispositif à effet de volume, est constituée par un certain tronçon 20 du conducteur intérieur de ladite ligne coaxiale. Suivant une autre caractéristique de l'invention, un bouchon obturateur conducteur est disposé à l'une des extrémités de ladite ligne coaxiale, ledit bouchon étant électriquement isolé du conducteur extérieur de cette ligne, et ledit dispositif à effet de 25 volume est connecté entre ledit bouchon et l'une des extrémités du conducteur, central, moyennant quoi on peut facilement appliquer une tension de polarisation entre les bornes du dispositif à effet de volume. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor-30 tiront à la lecture de la description qui suit, en relation avec les dessins annexés dans lesquels : - la Fig. 1 est un schéma très inqplifié du circuit d'un oscillateur à micro-ondes répondant aux données de l'invention! - la Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale, en partie schéma-35 tisée, d'un oscillateur à micro-ondes suivant l'invention; et - la Fig. 3 est un graphe représentatif des caractéristiques courant et tension en fonction du temps du dispositif à effet de volume monté dans le circuit à micro-ondes de l'invention. On se référera maintenant à la Fig. 1 représentant sous for-kO me très simplifiée un circuit à micro-ondes suivant l'invention. 69 1547Q 3 2008414 D'une façon plus précise, un dispositif 1 à état solide et à effet de volume, capable dans certaines conditions de présenter une résistance négative à un circuit à micro-ondes, est connecté en série avec une inductance 2 et avec une résistance de charge 3* 5 aux bornes d'une source 4 de tension de polarisation. Des dispositifs ou diodes à effet de volume 1 sont bien connus dans l'art antérieur; en peu de mots on peut donner comme exemple d'un tel dispositif un monocristal d'arséniure de gallium dopé par tin 20 3 donneur avec une concentration de 5 x 10 atomes par m , d'une 10 longueur d'environ 40/4A- ». d'une aire de section droite de 0,8 mm2, ayant enfin deux électrodes disposées à ses deux extrémités opposées respectivement. La longueur du cristal est plus grande que la distance parcourue par un porteur de charge en une période à la fréquence de fonctionnement du dispositif, cette lon-15 gueur étant prise plus grande que celle des dispositifs dimen- sionnés pour assurer des modes de fonctionnement à temps de transit (mode GUNN) • Un tel dispositif a une capacité d'enwiron 2 x 10"12 farads. La capacité du dispositif à effet de volume 1 forme avec 20 l'inductance 2 un circuit résonnant à une fréquence qui est de préférence notablement supérieure à la fréquence de fonctionnement voulue pour l'oscillateur. De façon plus précise, on peut escompter que le rendement du fonctionnement approche de 20 $ quand la fréquence de fonctionnement n'est que de 50 $ de la fréquence de 25 résonance de l'ensemble de l'inductance 2 et du condensateur que représente le dispositif à effet de volume 1-. Telle qu'elle est comprise ici, la capacité du dispositif à effet de volume est la capacité géométrique, c'est-à-dire la capacité calculée en considérant la constante diélectrique du matériau constitutif du compo-30 sant, la longueur de celui-ci et la surface des électrodes aux extrémités opposées du composant. Une valeur ohmique normale de la résistance de charge 3 est d'environ 1/3 de l'impédance caractéristiqueL/C vue de la résistance de charge regardant 11 ensemble en série de 1'inductance 2 35 et du condensateur équivalent au composant à effet de volume 1. En fonctionnement, lorsqu'on applique une tension de polarisation qui peut être continue ou en impulsions, le courant est limité par la valeur inductive de l'inductance 2 et croît avec une constante de temps» donnée par cette valeur, la valeur ohmi-40 que de la résistance 3 et la résistance du dispositif à effet 69 15470 h 2008414 de volume 1, au dessous du seuil. Les caractéristiques de courant et de tension en fonction du temps du dispositif à ëffet de volume 1, inséré dans, le circuit de la Fig. 1, sont données par la Fig. 3. Lorsque le courant atteint la valeur de seuil I , le s 5 système passe à un nouveau régime. Le courant allant à l'inductance 2 ne peut varier rapidement, car le dispositif à effet de volume 1 ne peut l'admettre en totalité, en sorte que le condensateur équivalent au dispositif à effet de volume 1 se - cliarga rapidement à niveau élevé, en donnant naissance au pic de tension 10 que fait apparaître la caractéristique de tension de la Fig. 3. Dans le quart de période qui suit,la tension tombe et on atteint la région critique de la période. Si la quantité d'énergie initialement stockée dans l'inductance 2 est suffisamment grande pour amener la tension au dessous du seuil V , le dispositif à effet S 15 de volume 1 se met à fonctionner dans le mode L S A. L'oscillation qui en résulte présente une forme du type à relaxation, une moitié environ de la période se trouvant au dessous du seuil et l'autre moitié à tension élevée en demi-sinusoïde au dessus du seuil* 20 On se reportera maintenant à la Fig. 2 donnant une forme concrète de réalisation du circuit à micro-onds» représenté sché-matiquement à la Fig. 1. D'une façon plus précise, le dispositif à effet de volume 1 est monté à l'intérieur d'une ligne coaxiale 6, entre une première extrémité 7 du conducteur central 8 et un 25 prolongement conducteur 9 s'étendant vers l'extrémité du conducteur central à partir d'un hra L'inductance 2 est formée par une certaine longueur 8' du conducteur central 8, dont l'aire de section droite a été rédui-kO te pour accroître sa valeur inductive. De façon semblable, une 69 T5470 5 2008414 longueur corre spondante du conducteur ext érieur 12 a vu son diamètre interne accru pour accroître encore davantage la valeur in-ductive de l'inductance en série constituée sur la ligne coaxiale 6* Un second élément support annulaire 15 également en ma-5 tériau diélectrique est disposé à l'extrémité chargée de l'inductance 2t de façon que le tronçon 8' à faible diamètre du conducteur central soit soutenu convenablement* L» résistance de charge 3 est connectée à l'autre extrémité du conducteur central 8 entre celui-ci et la terre. Normalement, la résistance de charge 3 a 10 une valeur ohmique qui est approximativement égale à l'impédance caractéristique de la ligne coaxiale formée par le conducteur central 8 et l'enveloppe 12* Normalement le facteur de surtension Q du circuit résonnant est de 1'ordre de 3 en sorte que le circuit constitué a un facteur Q relativement faible, en comparaison 15 des circuits résonnants parallèles de l'art antérieur à facteur Q relativement élevé. Bien que l'inductance 2 en série ait été décrite comme constituée par une certaine longueur du conducteur central ayant une aire de, section droite réduite, cette inductance peut être 20 formée par un tronçon en hélice de ce conducteur: central, si l'on veut accroître sa valeur inductive. L'oscillation d'un circuit de l'invention est possible pour . un certain intervalle de dopage du composant à effet de volume 1 « D'une façon plus précise, pour une fréquence de résonance du cir- 25 cuit f s 1 /Zîtl/ LC, le dopage peut aller de 2,5 x 10^° f élec- 3 11 3 trons/m jusqu'à 1 x 10 f électrons/m • A la limite inférieure de dopage le dispositif peut être stable en courant continu et ne pas osciller, alors qu'à la limite supérieure, le mode GUNN peut être déclenché ou bien les pics de tension et de champ de- 30 venir excessifs* Le dopage optimal pour une fréquence de résonan- 20 3 ce du circuit de 8 GHz est d'environ 5 x 10 électrons/m • Les résultats donnés par le circuit sont pratiquement indépendants de la longueur du dispositif à effet de volume 1, tant que ce dispositif a une longueur supérieure à celle requise par l'oscil-35 lation en mode GUNN (mode à temps de transit) à sa fréquence de fonctionnement et à condition qu'il soit empêché de fonctionner suivant le mode GUNN à sa fréquence de temps de transit. Bien entendu l'invention n*est pas limitée au mode de réalisation représenté et décrit qui n'a été donné qu'à titre 40 d'exemple. 69 15470 6 2008414 — REVENDICATIONS» 1#) - Circuit à micro-ondes pour dispositif à état solide à effet de volume à mode d'accumulation limitée de charge d'espace, et comprenant ledit dispositif à état solide à effet de volume, capable dans certaines conditions de présenter une résistance né-5 gative dans le circuit à micro-ondes où il est inséré, ledit circuit, destiné à extraire dudit dispositif de l'énergie à microondes pour la transmettre à une charge résistive, enfin des moyens d'appliquer une tension électrique de polarisation entre les bornes dudit dispositif à effet de volume, caractérisé par des perfection-10 nements consistant en ce que ledit circuit à micro-ondes comprend une inductance connectée en série avec ledit dispositif à effet de volume et avec ladite charge résistive, la capacité du condensateur que forme le dispositif à effet de volume et ladite inductance étant telles qu'elles provoquent une résonance-série à une certaine 15 hyperfréquence, de façon à faire fonctionner ledit dispositif à effet de volume suivant un mode à accumulation limitée de charge d'espace et convertir ainsi l'énergie de polarisation en énergie à micro-ondes* 2#) - Circuit à micro-ondes conforme à la revendication 1, ca-20 ractérisé en ce que la capacité dudit dispositif à effet de volume et l'inductance permettent une résonance-série à une fréquence notablement plus élevée que celle à laquelle l'énergie à micro-ondes est extraite dudit dispositif à effet de volume. 3*) - Circuit à micro-ondes conforme à la revendication 1, ca-25 ractérisé en ce que ledit circuit est constitué par un tronçon de ligne coaxiale, ayant vin conducteur extérieur entourant un conducteur intérieur, et en ce que ladite inductance est constituée par un certain tronçon du conducteur intérieur de ladite ligne coaxiale* 4°) - Circuit à micro-ondes conforme à la revendication 3 30 caractérisé en ce que ledit tronçon inductif du conducteur intérieur a une aire de section droite plus petite que celle du restant dudit conducteur intérieur. 5*) - Circuit à micro-ondes conforme à la revendication 3t caractérisé en ce que ledit dispositif à effet de volume est consti— 35 tué par un corps semi-conducteur ayant deux électrodes qui lui sont connectées à des extrémités opposées et en ce que ledit corps est d'une longueur entre électrodes plus grande que la distance par 69 15470 7 2008414 courue par les porteurs de charges dans ledit corps durant une période, à la fréquence de 1*énergie à micro-ondes extraite dudit dispositif* 6#) - Circuit à micro-ondes conforme à la revendication 3, 5 caractérisé en ce que les moyens d'appliquer une tension de polarisation audit dispositif à effet de volume comprennent un bouchon obturateur conducteur fermant une des extrémités de ladite ligne coaxiale, un élément isolant supportant et immobilisant ledit bouchon à l'intérieur dudit conducteur extérieur, un élément con-10 ducteur connectant ledit bouchon à une des bornes dudit dispositif à effet de volume, enfin un élément permettant d'appliquer une tension de polarisation audit bouchon par rapport au potentiel dudit conducteur extérieur et à l'autre borne dudit dispositif à effet de volume, donc d'appliquer ladite tension de pola-15 risation entre les bornes dudit dispositif à effet de volume* 7#) - Circuit à micro-ondes conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif à effet de volume est constitué par un cristal d'arséniure de gallium, dopé par un donneur dont la concentration est comprise dans l'intervalle de 20 2,5 x 10^ f à 1 x 10^ f atomes de donneur par m^ où f est la fréquence de résonance-série du circuit* 8") - Circuit à micro-ondes conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les moyens de connecter une charge résistive en série avec ladite inductance.