Brevet FR2011115A1 — publié le 19700227

i 2011115 La présente invention se rapporte .à un circuit utilisant des diodes à propagation de domaine? comprenant une première éfc une seconde diode connectées en parallèle t chaque diode ayant un premier contact et un second contact entre lesquels se trouve un 5 corps de matériau semi-conducteur du type propre â propager entre les contacts des domaines de champ électrique mobiles en réponse à une tension de seuil d'oscillation appliquée* et des moyens pour appliquer aux bornes de chaque diode une tension de polarisation dont le niveau est légèrement inférieur à la tension de seuil d'os-10 cillation des diodes. Les circuits de génération, d'emmagasinage et de traitement d'impulsions sont particulièrement- utiles dans les systèmes d,ordinateurs qui utilisent des circuits d'emmagasinage comme éléments de mémoire, et divers circuits de traitement comme éléments 15 de logique, registres, compteurs et analogues. Comme on désire augmenter la vitesse des ordinateurs, on a fait un effort considérable pour procurer des circuits qui engendrent des impulsions de courte durée et qui répondent à ces impulsions avec des vitesses élevées. 20 En raison de ces objectifs, la diode à effet Gunn, qui est capable dTengendrer des impulsions de courte durée, a été étudiée par lf homme de l'art pour voir sss applications possibles dans les circuits d'ordinateurs. Une diode à effet Gunn comprend une plaquette de matériau semi-conducteur à deux vallées contenu entre 25 deux contacts ohmiques opposés. Lors de l'application d'une tension de polarisation suffisante aux bornes de la diode, des domaines de champ électrique mobiles sont engendrés dans la plaquette et donnent lieu à des impulsions de sortie aiguës. Le problème d'assurer des circuits d'impulsions à vitesse 30 élevée,utilisant l'effet Gunn, est résolu selon l'invention qui procure un circuit comprenant des moyens de déclenchement pour appliquer à une diode une impulsion de déclenchement ayant une tension suffisante pour polariser la diode au-delà de son seuil d'oscillation, excitant ainsi dans la diode un domaine de champ- élec-35 trique mobile, et des moyens capacitifs pour coupler le premier contact d'une diode au second contact de l' autre diode,de telle sorts que l'annihilation d'un domaine de champ électrique mobile dans une diode engendre .un domaine de champ électrique mobile dans 13 autre dioïfe. 40 L'i-nvention sera 'décrite en se référant aux ds-ssias jointe i - >• . . • ' RAQ ORIGINAL 69 20202 2 20m 15 .. dsasr le^uels ? ...v- • - là figure 1 est. un schéma d'un exemple de forme de réalisation du circuit selon 1*invention ; . . - la figure 2A est un diagramme de la tension en fonction 5 du temps dans une diode du circuit selon la figure 1 ; - la figure 2& est un diagramme de la tension en fonction du temps" dans une autre diode du circuit selon la figure 1 ; - le figure y est un schéma d'une autre forme de réalisation du circuit selon l'invention % 10 - la figure 4 A est ira diagranma de la tension en fonction du temps dans une diode du circuit selon la figure 3 ; - la figure 4B est un diagramme de la tension en fonction du temps dans l'autre diode du circuit selon la figure 3 ; - la figure 5 est un schéma d'une autre forme de réalisait tion du circuit selon l'invention. On peut tirer parti des aptitudes de fonctionnement à vitesse élevée des diodes à effet Gunn en interconnectant plusieurs diodes en sorte que 1Tinhibition d'un domaine de propagation dans une diode fasse croître la tension de polarisation d'une diode 20 suivante afin d'y engendrer un domaine de propagation. Par exemple3 selon im exemple de forme de réalisation de l'imreïitioas tm circuit d' esHEagasinage de traire d'impulsions comprend plusieurs diodes à effet Gunn connectées en parallèle, la cathode d'une diode étant connectée, à Ivanode de la diode suivante, 25 et la cathode de la dernière diode étant connectée à 1'anode de la première diode. Chacune de ces diodes est polarisée, par l'intermédiaire de résistances connectées en série, à une tension située légèrement en dessous du seuil dfoscillation. Une impulsion de déclenchement engendre un doaaine d® propagation dans la première 30 diode seulement et loï'ôque le domains? est inhibé à l'anode de la première diode » la tension de la cathode croît et crée aux bornes as la seconde diode une tension de polarisation suffisante pour y dagandîw/un domaine des propagation. De cette manière, l'impulsion de dêcleaeiïeaieat initial^-eirœle d^ne diode à la suivante le long 35 utt réseau. lorsqtf'tm. train d impulsions est utilisé eoçme soignai . - d'ss.tr-ésj .toutes les impulsions circulent en séquence dans., le ré-s-ea-Uj a£in- d'Aetre lu*s.ott. extraites nltêrieurement à lrinstant ap-.p.2vopi?ié«_ . "- -, • . / ..;_Lorsque;>-deux diodes...seulesseat gent utilisées d'ans,.îîn mon-40 tag@jtel que décrit ei ->dessas3 le circuit résultant Joue le rôle BAD ORIGINAL 69 20202 3 2011115 d'un multivibrateur astable. L'impulsion d'entrée déclenche la première diode , laquelle, lorsque le domaine dé propagation se trouve' annihilé, déclenche la seconde diode. Lorsque la seconde diode revient à son état de repos, là première diode est à nouveau '5 excitée et l'impulsion est"emmagasinée dans "le multivibrateur d'une maniéré indéfinie. Le circuit peut également être conçu pour servir de multivibrateur" bî'stabl'e qui'comprend deux diodes connectées en parallèle, polarisées à une tension légèrement supérieure à leur tension 10 de seuil. Le déclenchement d'un domaine de propagation dans une diode, réduit cependant la tension'de polarisation aux bornes de l'autre diode de telle sorte qu'à un instant donné quelconque, une des diodes seulement peut osciller. !■'application d'impulsions de déclenchement commute les dispositifs en sorte qu'une diode qui 15 était en état d'oscillation retourne à l'état de repos tandis que l'autre diode commence à osciller. La figure 1 montre un exemple de forme de réalisation de l'invention, le circuit comprend plusieurs diodes à effet Gunn 10a à lOn, connectées en parallèle entre elles et avec une source 20 de polarisation il. Ainsi qu^il èst connu, une diode à effet Gunn comprend une plaquette de matériau semi-conducteur à deux vallées sensiblement homogène.', contenu entre un contact de cathode et un contact d'anode. En série avec chaque diode est connectée une résistance 13a à*l3n de valeur R^, et une résistance 14a à 14n de 25 valeur Rg. Le contact de cathode de chaque diode est couplé capaci-tivement au contact d'anode de la d'iode suivante par l'intermé-diairè d'un condensateur 16a à I6n, le contact de cathode de la dernière diode lOn étant couplé capacitivement au contact d'a-30 node de la première diode 10a. Une diode redresseuse 17a à 17n est également insérée entre le contact de cathode de chaque diode et le contact d'anode de la diode suivante. La source de tension 11 est sélectionnée en sorte d'appliquer aux bornes de chaque diode une tension de polarisation qui 35 est légèrement inférieure à"la tension de seuil d'oscillation de la d'iode. Ainsi qu'il est connu, lorsqu'on applique aux'bornes" d'une diode à effet Gunn une tension de polarisation qui dépasse ;-v la'tension'de seuil d^osciliatïôn, un domaine de bhamp éëlèctrique élevé se trouve engendré au contact de catode. Le courant tra-40 versaîit la diode diminue, la tension aux bornes de la diode augmsrts 69 20202 4 ,201.1115 et le domaine se déplace vers ,1e contact .d'anode où il se.trouve annihilé. Si. la tension de polarisation est maintenue au-dessus du niveau de. seuil,.-un nouveau domaine se forme à la cathode,- mais . si la t en-si op n'est pas maintenue au-dessus du seuil; d'.o s ciblât ion 5 de- la diode,, celle-ci reprend son état de repos.- Même si la diode . n'est,pas maintenue au-dessus de sa tension de ,seuil d'oscillation, ■ -. un domaine de- champ, électrique élevé, une fois- engendré-, se déplace vers l'anode dans un intervalle de temps de transit caractéris-qu.e qui dépend de la longueur de la plaquette de. semi-conducteur 10 de la diode et de la mobilité, à- condition que la tension sur la diode ne tombe pas en dessous d'une tension minimum dite tension • d'entretien des domaines. • Les diodes à effet Gunn sont habituellement constituées de plaquettes d'arsér.iure ie gallium de type n se caractérisant par un produit de la concentration "d'agent de 15 contamination et de la longueur de la plaquette qui dépasse inl2 -2 10 cm . Le but du circuit selon la figure 1 est d'emmagasiner indéfiniment une impulsion ou un train d'impulsions provenant d'une source d'impulsions 18 et de permettre à l'impulsion emmagasinée ou 20 au train:- d'impulsions emmagasiné! d'être lu ou extrait lorsqu'on --' désire les transmettre, vers une charge appropriée 19. Une impulsion d'allure positive fournie par la source 18 est appliquée au .contact d'anode de la diode 10a a travers la redresseuse l?n. Cette impulsion augmente la tension sur la diode 10a d'une quantité 25 suffisante pour engendrer un domaine de champ électrique élevé.-Lorsque le domaine est.annihilé au contact d'anode de la diode 10a, la- tension sur le contact d' anode augmente brusquement. Cet accroissement de- tension est alors transmis au contact d'anode de la diode 10b par.l'intermédiaire du condensateur 16a .et de la re-30 dresseuse l?a. Au contact ■ d'anode de la diode 10b, cet accroissement de -tension engendre un domaine de champ électrique. Ce processus se répète,de telle sorte, qu'une impulsion excite séquentiellement les domaines dans.toutes les.diodes du réseau, et comme ladite diode finale 10n est • connectée ..à-la première, diode 10a, 35 l'impulsion circule dans le réseau d'une manière répétée* LTimpul-sion emmagasinée peut être lue par la fermeture „d'un commutateur 15 afin de connecter le circuit à une -charge 19. ■ . . Le "phénomène, d.-'emmagasinage est. illustré par - les -diagram- -: • : mes des figures ■,2A .;et 2B sur lesquelles la.courbe-21 i&ontre. la 40 tension du contact d'anode:de la .diode 10a en fonction du temps, 69 20202 5 2011T1S la courbe 22 montre la tension de cathode de la diode 10a en fonction du temps y la courbe 23 montre la tension d'anode de la diode 10b en fonction du temps, et la courbe 24 montre la tension de cathode de la diode 10b en fonction du temps» Sur la figure 2k, 5 la tension E fournie par la source 11 établit un courant initial I^_ dans la diode 10a, ce qui donne lieu à une chute de tension 1^2 dans la résistance I4a,àune tension sur la diode 10a e*â une chute de tension I-^R^ dans la résistance IJa. Comme on peut le voir sur le diagrammela tension VD1 est inférieure à la tension 10 de seuil d'oscillation V^, et la diode reste,, par conséquents dans un état de repos. Si l'on suppose qu'à l'instant t^ une impulsion est appli-quée au contact d'anode de la diode 10a, un domaine de champ électrique élevé se trouve engendré au contact de cathode, et il se 15 crée dans la diode une réduction immédiate du courant et la tension sur la diode croît jusqu'à la valeur Bien que créant un ac croissement de tension au contact d'anode (courbe 21), la formatiez du domaine provoque une chute de tension au contact de cathode (courbe 21}. 20 On supposera que la diode 10a a un temps de transit- carac téristique T« Le domaine de champ électrique qui se propage dans Si la diode 10a,se trouve alors annihilé au contact d4anode à l'instant t2> provoquant alors une chute de la tension d'anode et un accroissement de la tension de- cathode, ce qui ramène la diode à 25 l'état de repos dans lequel la tension sur la diode est de nouveau L'accroissement brusque de la tension de cathode de la diode 10a est transmis au contact d'anode de la diode 1Gb, par l'intermédiaire du condensateur 16a et de la redressera l?a. La tension d'anode de la diode 1Gb (courbe 23) augmente dès lors jus-30 qu'à une valeur suffisante pour engendrer un domaine de champ électrique dans la diode 10b. Cet accroissement de tension dçanode s'accompagne évidemment d'une chute de tension de cathode de la diode 10b (courbe-24), et le processus se répète^ De ce qui précède il ressort qu'un seul domaine de champ 35. électrique élevé se trouve engendré séquentiellement dans chaque diode du réseau et que, en fait, l'impulsion initiale circule dans le réseau. Comme mentionné précédemment, le contact d."anode de la dernière diode lOn est connecté au contact d5 anode êa ïa premier® diode 10a, de telle sorte que lorque le- domaine se annihilé 40 dans la diode lOn, un domaine se trouve engendré dans la di&de- 10a, 69 20202 6 2011115 Les redresseuses 1? sont Insérées pour assurer qu'une impulsion fournie par une diode engendre une impulsion dans la diode suivante plutôt que- dans la diode précédente. La redresseuse 17a, par exemple y empêche la chute brusque de la tension d'anode de la 5 diode 10b (courbe 23) à l'instant d'être transmise à la cathode de la diode 10b où elle pourrait engendrer un domaine de champ électrique » De même, la redresseuse 17 a permet à l'accroissement de tension de cathode de. la diode 10a à l'instant t2 (voir courbe 22) d'être appliqué à la diode 10b mais, en fait, la chute de ten-10 sion de la courbe 22 à l'instant t^ n'est pas transmise. Le but des résistances 25a et 26a est de décharger le condensateur 16a durant l'intervalle de temps compris entre t^ et t2« La constante de temps R-G des résistances et du condensateur 16a doit être infé-ri eure à i . 15 Si la sortie de la diode lOn est transmise directement à la charge au lieu d'être ramenée à la diode 10a, le circuit selon la figure 1 constitue une ligne à retard. Une impulsion d'entrée appliquée à la diode 10a se trouve alors retardée d'un intervalle de temps fini et prévisible avant d'être fournie à la diode lOn. 20 Si deux diodes à effet Gunn seulement sont utilisées dans le circuit selon la figure 1. le circuit constitue un multivibrateur astable comme montré -sur la figure 3 sur laquelle on voit deux diodes 30a et 30b connectées en parallèle sur une source de polarisation $1. La courbe 32 sur la figure 4A montre la tension 25 d1anode de la diode 30a tendis que la ccarbe 33 sur la figure 4B ' montre la tension d'anode de la diode 30b. Comme on l'a vu plus haut, la génération d'un domaine de champ électrique dans la diode 30a par l'application d*une impulsion provenant de la source 34, fait apparaître sur la diode un accroissement de tension qui per-30" siste durant l'intervalle* de temps de transit-^ . Lorsque le domaine de champ électrique dans la diode 30a se trouve annihilé» un domaine, de champ électrique se trouve engendré dans la diode 30b» faisant apparaître sur celle-ci un accroissement de tension qui persiste durant l'intervalle de teaps de transit . Comme, le 35 montrent, les figures 4« ©t 4BS les temps de transit des deux diodes ne doiï&ït pas nécessaireaeafc être iss mêaies» mais peuvent être déterminés de manière connue pour fournir nn signal de sortie d-'allure voulue? Par exemple s ïa circuit selon- la figure 3, qui utilise des couplages capacitifs au moyen des condensateurs. 35a et 35b* 40 peut être-utilisé coœsae générateur d^enete carrées ainsi que comme BAD ORIQIML 69 20202 7 2011115 élément de mémoire. La figure 5 illustre une forme de réalisation dans laquelle deux diodes à effet Gunn 50a et 50b sont utilisées comme multivibrateur bistable. Dans ce cas, les deux diodes sont sensiblement 5 identiques et la tension appliquée par ïa source de polarisation 51 est légèrement supérieure à la tension de seuil d'oscillation. Cependant, par suite de non uniformité inhérentes, de bruit, etc.., un domaine de champ 'électrique de propagation se trouve, de préférence, engendré dans une des deux diodes et, dans ce cas, la ten-10 sion sur l'autre diode est réduite afin d'empêcher la formation d'un domaine. Par exemple, si un domaine se trouve engendré dans la diode 50b, la chute de tension sur la cathode est transmise au contact d'anode de la diode 50a à travers la résistance 54a, réduisant ainsi la chute de tension sur la diode 50a. Les bobines 15 d'induction 52a et -52b sont choisies pour filtrer ou atténuer les les oscillations haute fréquence, de telle sorte que, une fois excitée, la diode 50b continue à osciller indéfiniment, et la diode 50a reste indéfiniment à l'état de repos. Il est bien évident que d'autres dispositifs d'affaiblissement peuvent être également uti-20 lisés. Les états des diodes peuvent être commutés en appliquant une impulsion provenant de la source d'impulsions 53» Si l'on suppose que la diode 50b oscille, une impulsion d'allure positive provenant ■de la source 53 fait croître la tension sur la diode 50a 25 jusqu'à une valeur située au-dessus du seuil d'oscillation, engendrant ainsi un domaine de champ électrique dans la diode 50a. Il en résulte alors une chute de tension sur la diode 50b, qui dès lors cesse d'osciller. De cette façon, toute impulsion provenant de la source 53 fait passer le multivibrateur bistable d'un état 30 à l'autre. Les diverses fonctions,pour lesquelles les multivibrateurs bistables peuvent être utilisés et les circuits périphériques qui peuvent être utilisés avec ceux-ci,sont bien connus de l'homme de l'art et ne seront, par conséquent, par décrites' en détails dans 35 le présent mémoire. Par exemple, un certains nombre de multivibrateurs bistables peuvent être couplés pour former un compteur binaire. Une source d'impulsions dé remise àzéro 55 peut être utilisée pour assurer qu'une des deux diodes du multivibrateur soit excitée initialement. Par exemple, uh commutateur à transistor 56 40 est normalement ouvert et n'affecte pas le fonctionnement du circuit. 69 20202 8 2011115 -» * -ix --V Cependant s lorsqu'une impulsion provenant de la source 55 est transmise au commutateur., celui-ci se ferme:, la tension sùr la diode 50a se trouve réduite et les oscillations sontp de préférence, excitées dans la diode 50b. Ensuite,- les états 4^ multivibrateur peuvent 5 être commutés,, comme on l'a vu plus haut, et le circuit peut, être utilisé pour exécuter un certains nombre de fonctions conmies. Bien que le circuit selon la figure 5 diffère des circuits représentés sur les figures 1 et 3, par le fait que, en l'absence de tous domaines, la tension appliquée par la source 51 est située 10 au dessus du seuil d'oscillation, et qu'il met en oeuvre le même principe selon lequel la tension d'une diode commande la tension sur . l'autre diode» Cela est possible car les contacts de diodes sont connectés en série avec des résistances au lieu d'être connectés directement à la source de tension» Cela permet aux tensions sur 15 les deux contacts de varier, comme montré par exemple sur les figures 2A et 2B. Ces tensions sur les résistances R^ et Rg varient d'après les courants et l£, et ce même principe s'applique au montage selon la figure 5» En conclusion,bien que les diodes à effet Gunn aient été utilisées 20 comme exemples, on pourrait également utiliser n'importe quelle diode propre à engendrer et à propager des domaines de champ électrique élevé, et c'est, ainsi, par exemple, que des domaines de champ électrique élevé peuvent être excités dans certains semi-conducteurs à propagation d'ondes acoustiques. 69 20202 9 2011115 REVEND I G AT I OU 1.- Circuit utilisant des diodes à propagation de domaines comprenant une première et une seconde diode (10a, 10b} connectées en parallèle, chaque diode ayant un premier contact et un second 5 contact et, entre ceux-ci T un corps de matériau semi-conducteur propre à propager entre les contaets des domaines de champ électrique mobiles en réponse à l'application d'une- tension de. seuil d'oscillation, et des moyens (11) pour appliquer aux bornes de chaque diodes une tension de polarisation qui est légèrement inférieure 10 à la tension de seuil d'"oscillation des diodes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de déclenchement (18) pour appliquer à une diode (10a) une impulsion de déclenchement ayant une tension suffisante pour polariser la diode au-dessus de son seuil d'oscillation, excitant ainsi dans la diode 10a un domaine de champ élec— 15 trique mobile, et des moyens capacitifs (16a) pour coupler le premier contact de la première diode (10a) au second contact de l'autre diode (10b), de manière que l'annihilation d'un domaine de champ électrique mobile dans la première diode (3Qa) excite un domaine de champ électrique mobile dans l'autre diode (10b)« 20 2.- Circuit selon la revendication 1, caractérisé sn ce qu'il comprend plusieurs autres diodes à propagation de domaines. (lOc-lOn) connectées en parallèle sur les première et deuxième diodes (10a, IQb) et formant avec celles-ci un réseau de diodes (lOa-lOn); ainsi que d'autres moyens capacitifs (I6b-l6n) pour 25 coupler capacitivement la première électrode de chacune des diodes (10b - lOn) à la seconde électrode de la diode suivante'lOc-lOn et 10a) du réseau, de telle sorte que les diodes (lOa-lOn) du réseau soient excitées séquentiellement. 3.- Circuit selon l'une ou l'autre des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens direction» nels (17a-l?n) comprenant un redresseur inséré entre les diodes successives (lOa-lOn) afin d'empêcher une impulsion sur une diode de déclencher un domaine de propagation dans la diode précédente du réseau. 35 4«- Circuit selon l'une ou l'autre des revendications pré cédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, en mii-re. des moyens (52a-52b) insérés entre les contacts d'anode et de cathode des diodes (50a-50b) afin d'atténuer les fréquences elevées» * BAD ORJGff^