Brevet FR2010845A1 — publié le 19700220

L'invention est relative à des circuits utilisant des dispositifs à effet Gunn ou diodes Gunn, montés en série, et elle . concerne plus particulièrement les conditions requises en ce qui concerne les dispositifs, les circuits et les conditions de fonc-5 tionnement nécessaires pour l'utilisation efficace de deux ou plusieurs dispositifs à effet Gunn non identiques, connectés en série, de telle sorte que chaque dispositif contribue à la puissance du signal à haute fréquence,ou signal H.F., engendré. Ces circuits de diodes Gunn en série peuvent être miniaturisés et 10 peuvent être développés en montages série-parallèle pour constituer une source compacte de micro-ondes à haute puissance. La diode Gunn usuelle, utilisée dans un circuit résistif selon le mode de Gunn, produit des oscillations de courant microondes cohérentes dont la période est proportionnelle au temps de 15 transit pour qu'un domaine dipolaire de charge spatiale à champ élevé en mouvement parcourt la longueur du dispositif entre les électrodes. Lorsque la tension appliquée dépasse la tension de seuil et se situe dans la gamme de résistance négative, le domaine à champ élevé se rassemble ordinairement en noyau au voisi-20 nage de la cathode et croît de plus en plus en dimensions, tandis qu'il se propage vers l'anode et, au moment où il est recueilli à l'anode, un nouveau domaine est rassemblé en noyau à proximité de la cathode. Du fait des limitations physiques d'un dispositif à état solide utilisé en temps de transit, la diode Gunn classi-25 que a un faible rendement de puissance. La diode peut être aussi utilisée dans un circuit résonnant qui superpose à la tension de polarisation une tension HF dont la fréquence est supérieure à la fréquence de temps de transit, de sorte qu'à chaque période, la tension totale oscille entre des valeurs situées au-dessus de 30 la tension de seuil et des valeurs situées en dessous de la tension d'extinction. Lors du fonctionnement périodique en dessous de la tension d'extinction, le domaine à champ élevé, dans le cas du mode de fonctionnement en domaine éteint, ou la couche d'accumulation de charge spatiale, dans le cas de la diode à accumu-35 lation de charge spatiale limitée, est éteint dans l'espace entre-électrodes. Bien que des fréquences plus élevées et des puissances de sortie à impulsions puissent être obtenues, il s'est avéré dans la pratique que la puissance de sortie moyenne était grosso modo de l'ordre de grandeur de celle dê la diode Gunn classique® 40 Pour obtenir des niveaux de puissance de sortie notablement 69 19821 2 2010845 plus élevés, utilisables par exemple comme sources de microondes à haute puissance, il est nécessaire d'employer plusieurs diodes ou un seul dispositif à grande surface. Le fonctionnement en parallèle de diodes Gunn souffre du même défaut que l'unique 5 dispositif à grande surface, à savoir que l'impédance nette du générateur s'abaisse à un niveau impraticable. En outre, l'unique dispositif à grande surface exige un cristal d'arséniure de gallium ou d'un autre matériau semiconducteur'approprié qui doit avoir de très grandes dimensions et être électriquement uniforme, 10 ce qui pose des problèmes de fabrication et de dissipation thermique. C'est pour ces raisons que les diodes Gunn connectées en série représentent à l'heure actuelle le procédé le plus prometteur pour obtenir des grandes quantités de puissance à partir de dispositifs à état solide dans la région des micro-ondes. Non 15 seulement une chaîne série combine la puissance HF engendrée par chaque diode, mais elle augmente aussi l'impédance nette du générateur. Etant donné que les diodes Gunn à haute puissance sont individuellement des dispositifs à basse impédance, l'accroissement de 1'impédance du générateur constitue un facteur important 20 dans la conception pratique du circuit. D'autre part, il devient parfaitement possible de combiner des montages en parallèle avec des montages en série pour réaliser un montage en série-parallèle de diodes. Il est théoriquement possible de faire fonctionner plu-25 sieurs diodes Gunn identiques montées en série dans un circuit résistif ou dans un circuit résonnant ; mais il n'est pas praticable sur le plan commercial de fabriquer des dispositifs ayant des paramètres électriques exactement identiques. Si des diodes Gunn non identiques sont connectées en série et utilisées selon 30 le mode classique, l'une d'entre elles a tendance à capturer la majeure partie de la tension de polarisation appliquée. Cela laisse line tension de polarisation insuffisante pour le reste des dispositifs et, au lieu d'engendrer une énergie micro-ondes, les diodes à tension de polarisation insuffisante se comportent com-35 me des charges dissipatrices a Afin d'amener chaque diode d'une chaîne série à engendrer sa parfc de la sortie totale de puissance micro-ondes, certaines dispositions doivent être prises pour assurer que la tension appliquas sera répartie plus ou moins' u-niformément ou proportionnel 1 eraeivt aux diodes individuelles» Il 40 a été proposé de faire fonctionner plusieurs diodes Gunn en série, BAD 0f*IGINAL 69 19821 2o10845 chacune étant espacée d'une demi-longueur d'onde dans une cavité résonnante à micro-ondes® Etant donné qu'une grande séparation électrique entre chacune des diodes (une demi-longueur d'onde) est indispensable pour procéder de cette manière, cette technique 5 ne se prête pas à la miniaturisation et il n'est pas certain, si l'on se réfère aux données fournies, que toutes les diodes participent à la production de la puissance totale de sortie. Conformément à l'invention, une source compacte de microondes à haute puissance est constituée par plusieurs dispositifs 10 à effet Gunn non identiques, connectés en série, à proximité physique les uns des autres, et en série avec un circuit résonnant parallèle pour produire une tension HF. Les dispositifs Gunn individuels sont en un matériau semiconducteur présentant certains paramètres physiques adaptés dans les limites d'une tolérance 15 prédéterminée : plus précisément, les temps moyens de relaxation diélectrique négative des dispositifs doivent être adaptés dans des limites de 20% et le produit de la concentration d'équilibre des porteurs de charge et de la surface en coupe transversale des dispositifs individuels doit être adapté dans des limites de 20%. 20 En outre, chaque dispositif doit être capable d'assembler en noyau des domaines dipolaires à champ élevé complètement formés lorsque la tension de seuil est dépasséeo Des moyens de polarisation sont prévus pour appliquer à ces dispositifs Gunn connectés en série et au circuit résonnant 25 parallèle une tension de polarisation dont la grandeur pour chaque dispositif est au moins égale à 1,8 fois environ la tension de seuil de chaque dispositif. Le circuit résonnant parallèle est accordé à une fréquence HF qui satisfait une relation d'inégalité selon laquelle le rapport du temps moyen de relaxation 30 diélectrique négative du matériau semiconducteur à la période HF est égal à 0,15 ou plus, de telle sorte que le domaine de charge spatiale à champ élevé qui s'assemble en noyau dans chaque dispositif à effet Gunn soit incomplètement formé et ait une charge spatiale nette négative importante. En outre, le circuit réson-35 nant parallèle a une impédance HF telle que la tension totale appliquée à chaque dispositif du fait de la tension de polarisation et de la tension HF superposées oscille à chaque période HF entre une valeur supérieure à la tension de seuil et une valeur inférieure à la tension d'extinction du domaine, de sorte 40 que le domaine à champ élevé incomplètement formé de chaque bi) 1 dispositif individuel du montage série soit éteint quelque part dans l'intervalle entre électrodes. Ces buts, caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront, ainsi que d'autres, de la description plus détaillée 5 suivante de plusieurs formes préférées d'exécution de l'invention illustrées par les dessins annexés. La fig. 1 est le schéma d'un circuit accordé simplifié pour le fonctionnement de plusieurs dispositifs à effet Gunn non identiques, montés en série, conformément au principe de l'invention; 10 la fig. 2 est une vue isométrique schématique d'une diode Gunn individuelle dessinée à échelle agrandie et représentant en outre une courbe donnant la densité de dopage de donneurs en fonction de la dimension longitudinale de la diode ; la fig. 3 est une courbe caractéristique de la vitesse des 15 porteurs de charge en fonction du champ électrique moyen et de la tension appliquée totale, courbe sur laquelle est superposée une courbe de la tension HF appliquée en fonction du temps, pour illustrer graphiquement la tension totale instantanée due à la superposition de la tension continue de polarisation et de la ten-20 sion HF ; la fig. 4 reproduit, pour un circuit série de deux dispositifs non identiques, des courbes de la division calculée de la tension HF appliquée entre les dispositifs, en fonction du rapport **C£n/'£rf> Pour deux rapports différents de temps moyen de 25 relaxation diélectrique négative ; la fig. 5 montre des courbes (a) et (b) typiques, respectivement de la densité de donneurs n et du champ électrique E en fonction de la dimension longitudinale x d'une diode individuelle utilisée selon l'invention pour l'assemblage en noyau 30 de domaines dipolaires à champ élevé incomplètement formés ; la fig. 6 représente les caractéristiques de tension HF calculées en fonction du temps pour deux diodes non identiques connectées en série, montrant que chacune d'entre elles contribue à la puissance de sortie ; 35 la fig. 7 est une vue schématique en coupe d'une forme possible de réalisation matérielle du circuit simplifié de la fig. 1 ; les fig. 8 et 9 sont deux schémas de circuit de deux montages en série-parallèle différents de diodes Gunn, chacun d'en-40 tre eux pouvant produire une puissance suffisante pour servir de 69 19821 5 2010845 générateur de micro-ondes à haute puissance ; et les fig. 10 et 11 sont des vues schématiques, frontale et latérale,' d'une disposition par empilement de diodes connectées conformément au circuit de la fig. 9. 5 Le circuit simplifié représenté dans la fig. 1 comprend trois dispositifs à effet Gunn 11A, llB et 11C connectés en série, à proximité physique les uns des autres et d'un circuit résonnant parallèle 12, le circuit série ainsi formé étant monté entre les bornes d'une source d'impulsions unidirectionnelles 10 13. Le circuit résonnant parallèle 12 est constitué par un condensateur 14 monté en parallèle avec l'ensemble série comprenant une bobine d'induction 15 et une résistance 16, la résistance 16 étant une résistance équivalente qui comprend la résistance de la bobine 15 et une charge HF préalablement choisie. Le montage 15 série des diodes Gunn peut être utilisé selon un mode par impulsions ou un mode continu, et la source peut être une source unidirectionnelle ou bidirectionnelle. Il est du reste bien entendu que, bien qu'on ait représenté trois diodes Gunn montées en série ce circuit peut être utilisé, dans des limites raisonnables, 20 pour effectuer le fonctionnement en série d'un nombre quelconque de dispositifs à effet Gunn connectés en série. Afin d'obtenir le fonctionnement en série de diodes non identiques de telle sorte que chaque diode individuelle contribue à la puissance totale de sortie, il existe six conditions essentielles relatives 25 aux dispositifs, au circuit et au fonctionnement, qui doivent être satisfaites. Ces six conditions vont être envisagées à propos des fig. 2 à 6 des dessins et seront énumérées ultérieurement sous forme complète. En termes plus généraux, ces conditions sont brièvement les suivantes : chacune des diodes doit être capable 30 de produire des oscillations de Gunn de domaines à champ élevé lorsqu'elles fonctionnent individuellement dans un circuit résistif ; bien que les diodes ne soient pas identiques, certaines caractéristiques physiques de chacune d'entre elles doivent être adaptées dans le cadre de tolérances admissibles prédéterminées ; 35 la tension de polarisation totale appliquée à la chaîne série de diodes doit dépasser une valeur prédéterminée en rapport avec le nombre de diodes ; la chaîne série doit fonctionner dans un circuit résonnant accordé ; l'impédance HF du circuit accordé à la fréquence du fonctionnement série doit être choisie à une 40 valeur prédéterminée ; et la fréquence du circuit résonnant 69 19821 6 2010845 accordé - et, par suite, la fréquence de fonctionnement de la chaîne série de diodes - doit être suffisante pour éviter la formation d'un domaine dipolaire de Gunn à champ élevé complètement formé dans l'une quelconque des diodes individuelles» 5 Pour se référer au croquis à échelle agrandie de la fig. 2, le dispositif 11 comprend un cristal 17 d'arséniure de gallium de type n, ou d'un autre matériau semiconducteur tel que le tellurure de cadmium ou le sélénure de zinc capable par sa nature de produire des oscillations de Gunn, aux deux extrémités opposées 10 duquel sont disposées une électrode cathodique 18 et une électrode anodique 19. De préférence, le cristal 17 est un parallélépipède rectangle et il présente un profil longitudinal de densité de dopage de donneurs nominalement constant, tel que représenté par la courbe superposée 20 dans laquelle la concentration nette 15 en donneurs d'électrons n a été tracée en fonction de la lon- o gueur L de la diode portée en abscisses. Bien que la densité longitudinale moyenne de dopage de donneurs soit, en gros, pratiquement constante sur la majeure partie de la longueur de la diode, il est à noter qu'il existe des variations aléatoires qui 20 interviennent naturellement et éventuellement des concentrations locales de densité de dopage plus ou moins grandes lorsqu'on considère cette densité à une plus petite échelle. Les parties à forte pente de la courbe 20 au voisinage de la cathode 18 et de l'anode 19 représentent les régions fortement dopées formées par 25 l'application de contacts ohmiques aux extrémités opposées du cristal semiconducteur. Ces électrodes sont ordinairement en un métal tel que l'étain qui se comporte comme une impureté donneuse pour le cristal semiconducteur 17. Pour effectuer le fonctionnement série de plusieurs dispositifs montés en série, il 30 est nécessaire que las temps moyens de relaxation diélectrique négative de la diode soient ajustés dans les limites de 20% et que le produit de-la concentration nette moyenne en donneurs d'électrons et des surfaces en coupe transversale A des diodes individuelles (le produit n »A) soit ajusté dans les limites de 35 20%. La tolérance admissible en ce qui concerne les longueurs physiques des diodes individuelles est supérieure à ce chiffre de pourcentage. Il y a lieu de noter que quand les diodes individuelles sont fabriquées à partir de parties de matériau semiconducteur ayant des caractéristiques de mobilité d'électrons 40 identiques, -la condition d•ajustement portant sur les temps.de 69 19821 7 2010845 relaxation diélectrique négative se ramène à cette exigence que les concentrations de porteurs de charge électrique des diodes soient ajustées dans les limites de 20%. Une autre condition pour le fonctionnement en série est 5 que chacune des diodes doit être capable de produire des oscillations de Gunn de domaines à champ élevé lorsqu'elles fonctionnent individuellement dans un circuit résistif dans le mode de Gunn, c'est-à-dire que le produit n L de la diode semiconductrice doit être supérieur à la valeur critique usuelle. Il convient 10 d'expliquer plus amplement le mode de Gunn pour permettre de mieux comprendre le mode d'opération en série. Comme on l'a mentionné ci-dessus, lorsque la tension continue de polarisation appliquée aux bornes de la diode dépasse la tension de seuil, un domaine dipolaire de charge spatiale à champ élevé a tendance à 15 se former quelque part dans l'espace entre-électrodes et à se rassembler ordinairement en noyau au voisinage de l'électrode cathodique 18 dans la région de densité accrue de dopage de donneurs. La distribution du champ électrique dans le cristal 17 se disperse en un domaine à champ élevé et une région à champ 20 inférieur. Cette situation est instable par inhérence et le domaine à champ élevé se propage à travers le dispositif vers l'électrode anodique et au moment où il est recueilli à l'électrode anodique, un nouveau domaine à champ élevé se rassemble en noyau à la cathode. La fréquence des oscillations de courant résultan-25 tes est proportionnelle au temps de transit du domaine et est connue sous le nom de fréquence de Gunn. Dans le cadre d'une explication de l'effet de Gunn dans certains matériaux semiconducteurs, on admet généralement à l'heure actuelle que l'effet de Gunn, également connu sous le nom d'effet de transfert d'élec-30 trons entre deux vallées, est associé au transfert d'électrons chauds entre des vallées de bande de conduction dont l'énergie est séparée par une fraction d'électrons-volt. La vallée de bande de conduction dont l'énergie est la plus faible est la bande normale de conduction d'électrons et un champ électrique 35 élevé provoque le transfert des électrons chauds entre la vallée à mobilité élevée et à faible énergie et la vallée de bande de conduction à faible mobilité et à énergie plus grande non remplie, où ces électrons ont une moindre efficacité dans le processus de conduction. Si le taux de transfert d'électrons vers j 40 la vallée à faible mobilité est suffisamment élevé, le courant 1 i 69 19821 8 2010845 total à travers la diode diminuera, même si le champ électrique est croissant. Ainsi, l'effet d'électrons transférés donne lieu à une résistance différentielle brute contrôlée par la tension, qui provoque les oscillations du courant de sortie. 5 La région de résistance négative en ce qui concerne, les ma tériaux semiconducteurs à effet de Gunn est nettement visible dans la courbe caractéristique 21 de la vitesse des porteurs de charge (en ordonnées) en fonction du champ électrique (en abscisses) , reproduite dans la fig. 3. Entre l'origine de la courbe 10 au point _a et son sommet au point 1d correspondant à la vitesse maximale de porteurs de charge, cette vitesse - et, par conséquent, le courant de sortie, étant donné que le courant est proportionnel à la vitesse des porteurs de charge — dépend des caractéristiques de la seule vallée de bande de conduction à 15 mobilité élevée et faible énergie et le dispositif suit pratiquement la loi d'Ohm entre le point _a et le point b_. Autrement dit, lorsque le champ électrique appliqué E augmente, la vitesse des porteurs de charge augmente également. Entre le point ]d, correspondant au maximum de vitesse des porteurs de charge, 20 et le point ç, les écarts par rapport à la loi d'Ohm deviennent importants et le dispositif commence à entrer dans la région de résistance différentielle négative. Dans la région de résistance négative, la vitesse des porteurs de charge diminue, même si le champ électrique augmente, et cela est dû à l'effet de 25 transfert d'électrons qui vient d'être décrit, par lequel certains électrons sont transférés vers une vallée à mobilité plus faible où ils ont une moindre efficacité dans le processus de conduction. Le champ électrique au point _ç est appelé le champ de seuil E^ et c'est la valeur minimale de champ moyen appli-30 que pour laquelle des domaines dipolaires à champ élevé sont formés et des oscillations de Gunn sont produites. Le champ s— lectrique de polarisation doit évidemment dépasser le champ de seuil E^ et, en outre, il est dans la région de résistance négative de la courbe 21 (on n'a pas représenté ici dans sa 35 totalité la courbe caractéristique statique de vitesse/champ). Une condition nécessaire pour le fonctionnement série de N diodes connectées en série est que la tension de polarisation V"k soit supérieure à 1,8 N fois la tension de seuil pour» une oscillation de Gunn de domaine à champ élevé de toute diode 40 individuelle de la chaîne série. Plus précisément, la tension de 69 19821 2010845 polarisation doit être suffisamment grande pour assurer la validité de 1 *inégalité suivante pour chaque diode : H + rf r L dt \ dx n(x,t) v(Etot) Erf(t)^ > O 't=t1 '— x=0 où : rf = Période HF L = Longueur de la diode n(x,t> = Densité d'électrons libres en fonction de la position, x, et du temps, t 10 v(E, .) = Vitesse des électrons en fonction de l'intensité totale de champ électrique Etot(x,t) - Eb + Erf(t> -V Es-c-(x,t) Eb = Champ de polarisation E ^(t) = Champ du circuit 15 E (x,t) = Champ de charge spatiale S «c§ Cette relation conserve sa validité, que la tension de polarisation soit appliquée par impulsions ou de façon continue. La tension de polarisation appliquée à chacune des diodés est, de préférence, de l'ordre du double de la tension de seuil de 20 celle-ci ou davantage, mais il existe un fonctionnement marginal où la tension de polarisation d'une diode quelconque est de l'ordre de 1,8 fois sa tension de seuil. Une' valeur typique de la tension de polarisation est indiquée par la ligne discontinue 22 dans la fig. 3. 25 La forme d'onde de la tension HF produite par le circuit résonnant parallèle 12 indiqué dans la fig. 1 est représentée par la courbe 23 dans la fig. 3. L'impédance HF du circuit accordé 12 à la fréquence de fonctionnement série est choisie au préalable de telle sorte que pendant une petite partie de chaque pé-30 riode HF, la tension totale due à la superposition de la tension de polarisation et de la tension HF à travers chaque diode individuelle de la chaîne série soit au-dessous de.la tension.d'extinction Vg de celle-ci pour les domaines.de Gunn à champ élevé® La tension d'extinction V est indiquée par la ligne discontinue 35 24 et sa valeur est inférieure à la tension de seuil à-cause des effets d'hystérésis que l'on constate dans les dispositifs Gunn. Comme on l'a souligné, la fréquence de la forme d'onde de tension HF 23 est supérieure à la fréquence de Gunn. La 69 19821 10 2010845 tension totale appliquée due à la superposition de la tension HF et de la tension de polarisation oscille dpnc dans chaque période HF entre des valeurs supérieures à la tension de seuil et des valeurs inférieures à la tension d'extinction. Ainsi, dans 5 chaque période HF, un domaine dipolaire à champ élevé incomplètement formé ou une couche d'accumulation de charge spatiale se rassemble en noyau au voisinage de l'électrode cathodique 18, se propage vers l'électrode anodique en croissant progressivement en dimensionss puis est éteint quelque part dans, l'espace entre 10 électrodes du fait de la variation vers le bas de la tension HF qui provoque une chute de la tension totale au-dessous de la tension d'extinction V . q Une importante condition requise pour le fonctionnement série est que le circuit résonnant parallèle 12 soit accordé à 15 une fréquence telle que la tension totale à travers toute diode individuelle d'une chaîne série varie suffisamment vite pour éviter la formation d'un domaine dipolaire à champ élevé complet dans cette diode. En d'autres termes, la fréquence de fonctionnement de la chaîne série doit être suffisamment élevée pour empê-20 cher la formation d'un domaine de Gunn à champ élevé complet dans une diode de la chaîne série. Cette condition sera satisfaite lorsqu'une certaine inégalité existe entre le temps moyen de relaxation diélectrique négative et la période HF, selon la formule suivante : 25 z, S \ 0,15 *rf * où "^r£ est la durée d'une période HF à la fréquence de fonctionnement série et %£n es^ temps moyen de relaxation diélectri-30 que négative d'une diode individuelle de la chaîne série. Il pourra être utile à l'homme de l'art de connaître la définition suivante de ° n0eIH 35 où £2 est la constante diélectrique du matériau semiconducteur actif a partir duquel la diode de Gunn est fabriquée, nQ est la densité d'équilibre de porteurs de charge électrique de -charge _e dans le matériau actif et Juj est la valeur absolue de la pente d'une approximation rectiligne de la forme de la partie à résis-40 tance négative de.la caractéristique vitesse/champ 21 ( la pente 69 19821 11 2010845 de la ligne 25 de la fig. 3). Il est à noter que lorsque les diodes individuelles sont fabriquées à partir de cristaux semiconducteurs qui ont sensiblement la même valeur [P-| > le temps moyen de relaxation diélectrique négative de chaque diode indi-5 viduelle est seulement une fonction de nQ. En particulier, n est inversement proportionnel à nQ La valeur critique de l'inégalité entre le temps de relaxation diélectrique négative et la période HF est déterminée à partir d'un graphe calculé du type donné dans la fig. 4. 10 En supposant qu'il n'y a que deux diodes Gunn A et B dans la chaîne série, le rapport des tensions HF à travers les deux diodes CVrf3A D a été tracé en fonction du rapport • Dans ce cas, _VriJB TTrf % £n est le temps moyen de relaxation diélectrique négative de 15 la diode A. Si les deux diodes étaient matériellement identiques et, plus précisément, si les concentrations moyennes d'équilibre de porteurs de charge électrique, nQ, dans les deux diodes é-taient les mêmes, la même tension HF apparaîtrait à travers chacune des diodes et le rapport des deux tensions HF serait exacte-20 ment égal à 1,0. Pour des diodes exactement identiques, la courbe tracée dans la fig. 4 se présente donc sous la forme d'une ligne horizontale 26. Cette ligne n'est donnée qu'à des fins de comparaison, car un fonctionnement série de diodes Gunn identiques est généralement connu dans la technique et représente un cas 25 courant, mais il n'est pas praticable, sur le plan commercial, de produire des dispositifs Sunn exactement identiques. La courbe 27 représente le cas où les diodes sont adaptées dans les limites de 1,2%, c'est-à-dire que le rapport des temps moyens de relaxation diélectrique négative est donné par le formule : 30 ( "Wa , « 0,988 1 C£n}& La courbe 28 est obtenue lorsque le rapport des temps moyens de relaxation diélectrique négative est 0,95 et les diodes sont adaptées dans les limites de 5%. La valeur moyenne en abscisses 35 des coudes des deux courbes 27 et 28 est de l'ordre de 0,15, et il s'agit de la valeur critique du rapport portée en abscisses, rcn à savoir ^ A valeur critique d'abscisses 05153 il est à Z7rf 69 19821 2010845 noter que 20% environ seulement de la tension qui apparaît aux bornes de l'une des diodes apparaît aux bornes de l'autre diode; par contre, à une valeur en abscisses de 0,4, les tensions qui apparaissent aux bornes des deux diodes sont beaucoup plus voi-5 sines. On comprendra mieux la notion du domaine dipolaire de charge spatiale à champ élevé incomplètement formé qui, dans certaines conditions opératoires, est caractéristique du fonctionnement série de dispositifs à effet Gunn selon l'invention, en se réfé-10 rant aux courbes (a) et (b) de la fig. 5. Dans la courbe (a), la densité de donneurs n est donnée en fonction de la distance x suivant la longueur de la diode. Dans un domaine dipolaire, il existe par définition une couche d'accumulation d'électrons 30 qui suit une couche d'appauvrissement en électrons 31. La couche. 15 d'accumulation d'électrons 30 aura évidemment une charge spatiale négative, tandis que la couche d'appauvrissement en électrons 31 aura une charge spatiale positive. Dans un domaine dipolaire à champ élevé incomplètement formé, le nombre total Cn des charges négatives dans la couche d'accumulation 30 est notablement plus 20 grand que le nombre total des charges positives dans la couche d'appauvrissement en électrons 31 et il existe une importante charge spatiale nette négative. De ce fait (voir courbe b) la valeur du champ électrique E du côté anode du domaine dipolaire à champ élevé incomplètement formé sera nettement plus élevée que 25 la valeur du champ électrique E du côté cathode du domaine incomplètement formé. La distribution des charges électriques représentée dans la courbe (a) et la distribution du champ électrique représentée dans la courbe (b) correspondent aux conditions de fonctionnement que l'on retrouve le plus généralement 30 dans le fonctionnement série de diodes à effet Gunn. Lorque y. j. est choisi suffisamment court, C est très voisin de zéro u rf P et les diodes à effet Gunn connectées en série formeront des couches d'accumulation de charge spatiale, à la place de domaines dipolaires de charge spatiale à champ élevé incomplètement for-35 més. Lorsque le fonctionnement série réel de plusieurs dispositifs à effet Gunn non identiques connectés en série est obtenu, chacune des diodes contribue à la puissance totale de sottie. C'est ce qui est représenté graphiquement dans la fig. 6, 40 où les tensions HP calculées ^Vrf^B Pour -*-es deux 69 19821 2010845 diodes A et B ont été portées en fonction du temps. Du fait que les deux diodes -ne sont pas exactement identiques, les tensions HF à travers elles ne sont pas les mêmes, mais chaque diode contribue dans une mesure plus ou moins grande à la puis-5 sance totale de sortie produite. Le fonctionnement indiqué dans la fig. 6 correspond à : I — - 0,95 et . 0,346 "C rf Si les différentes conditions concernant les dispositifs, les 10 circuits et le fonctionnement, qui ont été indiquées sont satisfaites, l'effet de capture par lequel l'une des diodes de la chaîne série pnend toute la tension de polarisation, tandis que les autres diodes se comportent comme des charges dissipatrices est évité. La série de ces conditions peut être résumée 15 comme suit. Condition 1.- Chacun des dispositifs à effet Gunn connectés en série est capable de produire des oscillations de Gunn de domaine dipolaire à champ élevé complet lorsqu'il fonctionne individuellement dans un circuit résistif. 20 Condition 2.- Les temps moyens de relaxation diélectrique négative des diodes sont ajustés dans les limites de 20% et les produits de la concentration moyenne nette de donneurs d'électrons et de la surface en coupe de chacun des dispositifs individuels de la chaîne série sont ajustés dans les limites de 20%. 25 La tolérance admissible en ce qui concerne les longueurs physiques des dispositifs individuels est supérieure à 20%. Condition 3.- Les dispositifs à effet Gunn connectés en série doivent être mis en service dans un circuit résonnant parallèle accordé. 30 Condition 4.- Afin d'obtenir une oscillation avec une chaî ne série de N diodes (N = 2, 3, 4, 5, 6 ... ou davantage), la tension de polarisation appliquée totale doit être supérieure à 1,8 N fois la tension de seuil'pour l'oscillation de Gunn de toute diode individuelle de la chaîne série. C'est-à-dire : 35 ^ 1,8 N étant la grandeur de la tension de polari sation appliquée par impulsions ou de façon continue, et étant la tension de seuil pour une oscillation de Gunn de domaine dipolaire à champ élevé complet de toute diode de la chaîne.série. 69 19821 14 2010845 Condition 5.- L'impédance HF du circuit résonnant parallèle accordé à la fréquence de fonctionnement en série est choisie de telle sorte que, pendant une petite partie de chaque période HF, la tension totale (tension de polarisation appliquée 5 plus tension HF induite par le circuit accordé) à travers chaque diode individuelle de la chaîne série soit inférieure à la tension d'extinction de celle-ci pour des domaines dipolaires à champ élevé complets. Condition 6.- La fréquence de fonctionnement de la chaîne 10 série doit être suffisamment élevée pour éviter la formation d'un domaine dipolaire à champ élevé complet dans une diode de la chaîne série. C'est-à-dire que la tension totale à travers chaque diode individuelle de la chaîne série doit varier suffisamment vite pour éviter la formation d'un domaine dipolaire à 15 champ élevé complet dans cette diode. S'agissant de dispositifs à effet Gunn non identiques, cettecoHdi-tion sera satisfaite lorsque y o,i5. (a rf. L'une des formes possibles de réalisation pratique du cir-20 cuit équivalent représenté schématiquement dans la fig. 1 est présentée dans la fig. 7. Cet appareil constitue une cavité de résonance à micro-ondes en cylindre coaxial de type classique et ne sera décrit que brièvement. L'une des parois d'extrémité du cylindre coaxial 35 comporte un trou 36 qui constitue un conden-25 sateur de dérivation et dans lequel pénètre le conducteur central 37 d'une ligne coaxiale 38 de signal d'entrée à laquelle est appliquée une tension continue de polarisation, soit par impulsions, soit de façon continue. Les diodes ». Gunn non identiques llA, 11B et 11C montées en série sont connectées, à pro-30 ximité physique mutuelle, sans séparation matérielle ou électrique notable, entre l'extrémité du conducteur central 37 de la ligne d'entrée 38 et l'extrémité correspondante du conducteur central 39 du cylindre coaxial 35. La puissance en micro-ondes engendrée par ce dispositif est appliquée à une ligne coaxiale 35 HF de sortie 40 au moyen d'une boucle de couplage usuelle 41. Afin d'obtenir des sorties de niveau de puissance .microondes plus élevées, de manière à permettre une disposition physique compacte, le nombre total de diodes Gunn est augmenté et elles sont disposées an Un montage série-parallèle. Dans la fig. 40 8, un nombre-donné de chaînes série 42, 42as 42b »o.: 42n sont 69 19821 15 2010845 connectées en parallèle et chacune des chaînes série contient tout nombre voulu de diodes Gunn non identiques connectées en série. Non seulement la chaîne série de diodes Gunn combine la puissance HF engendrée par chaque diode, mais elle élève également 5 l'impédance nette du générateur à des niveaux utilisables dans la pratique et le montage en parallèle de plusieurs chaînes de diodes est désormais possible tout en conservant une valeur élevée de l'impédance nette du générateur. Etant donné que les diodes Gunn à puissance élevée sont individuellement des dispositifs à 10 basse impédance, la possibilité de contrôler l'impédance nette du générateur par les interconnexions en série ou en série-parallèle de plusieurs diodes à effet Gunn constitue une caractéristique importante dans la pratique. La fig. 9 illustre un autre système d'interconnexion pour 15 un fonctionnement en série-parallèle. Selon cette disposition, un nombre donné de diodes Gunn 43 non identiques sont connectées en parallèle et ce circuit de diodes en parallèle est connecté en série avec d'autres groupes en parallèle de diodes Gunn non identiques 43 a •••• 43n. Pour obtenir un fonctionnement série 20 de ces groupes en parallèle de diodes, il suffit que les paramètres physiques précités du matériau semiconducteur (relatif au temps moyen de relaxation diélectrique négative et au produit de la concentration d'équilibre de porteurs de charge et de la surface en coupe transversale^.pour chaque groupe en parallèle 25 considéré dans son ensemble,soient ajustés dans les limites de 20%. Il est donc possible que pour l'une quelconque des diodes d'un groupe en parallèle, ces paramètres physiques ne soient pas ajustés dans les limites de 20%, pourvu que le groupe en parallèle dans son ensemble soit ajusté dans les limites de 20% 30 des autres groupes en parallèle. Il va de soi que toutes les diodes individuelles de l'ensemble peuvent être ajustées dans les limites de 20% si on le juge opportun. Selon ce qui est illustré par les fig. 10 et 11, les interconnexions en série-parallèle donnent une plus grande latitu-35 de pour la dissipation thermique concernant le générateur de puissance HF. Il peut être opportun d'espacer mutuellement les diodes individuelles pour créer des passages à travers lesquels un fluide de refroidissement pourra être mis en circulation. Dans la disposition par. empilement représentée à titre d'exemple 40 dans les fig. 10 et 11, les diodes individuelles des groupes en ) 19821 2010845 parallèle 43, 43a * » * 43n sont montées entre des barres de molybdène 44-47 parallèles et espacées, et des contacts électriques 48 et 49 sont fixés respectivement aux surfaces extérieures des barres externes de 1'empilement• Chaque diode individuelle du 5 groupe est évidemment soudée ou fixée de façon similaire aux barres entre lesquelles elle est montées Chacune des barres 44— 47 est également raccordée d'un côté, par une liaison thermique, à un organe de dissipation thermique 50, par exemple en oxyde de béryllium* Cette disposition est compacte, peut être minia-10 turisée et se prête à une dissipation thermique suffisante et à la circulation d'un fluide de refroidissement. En résumé, il a été démontré que plusieurs dispositifs à effet Gunn non identiques, connectés en série sans aucune séparation électrique ou matérielle nécessaire, peuvent être utili— 15 sés de façon à éviter l'effet de capture, chaque dispositif contribuant à la puissance totale de sortie. Le circuit est relativement simple et les tolérances physiques que les dispositifs doivent satisfaire sont raisonnables du point de vue de la fabrication, de sorte que le fonctionnement série devient pratica-20 ble sur le plan commercial. En outre, l'augmentation de l'impédance du générateur résultant des connexions en série est une caractéristique importante dans la pratique. Etant donné que le circuit de diodes peut être miniaturisé et convenablement refroidi, on peut construire une source compacte de micro-ondes 25 à haute puissance en faisant appel à 1'interconnexion en série-parallèle de diodes Gunn. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réali-30 sation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. * * ^0 ORIQimi 69 19821 17 2010845 R E V E N D I C A T I O N S 1. Circuit pour la production d'un courant à haute fréquence, caractérisé par le fait qu'il comprend, en combinaison : - plusieurs dispositifs à effet Gunn non identiques ayant 5 certains paramètres physiques prédéterminés ajustés dans les limites d'un pourcentage prédéterminé, chacun d'entre eux étant susceptible d'assembler en noyau des domaines dipolaires de charge spatiale à champ élevé complètement formés lorsqu'une tension de seuil est dépassée ; 10 - des moyens pour connecter en série ces dispositifs a effet Gunn, à proximité physique les uns des autres et en série avec un circuit résonnant, pour produire^ une tension HF ayant une fréquence voulue, et une période correspondante ; - et des moyens de polarisation pour appliquer aux dispo-15 sitifs à effet Gunn connectés en série et au circuit résonnant parallèle une tension dé polarisation dont la valeur dépasse la tension de seuil de chaque dispositif dans une mesure prédéterminée, le circuit résonnant parallèle étant accordé à une haute fréquence qui satisfait une relation d'inégalité prédéterminée 20 entre le temps moyen de relaxation diélectrique négative du matériau semiconducteur et la période de la tension HF, de telle sorte que les domaines de charge spatiale à champ élevé qui se rassemblent en noyau dans chaque diode soient incomplètement formés et aient une charge spatiale nette sensiblement négative, le 25 circuit résonnant parallèle ayant une impédance telle que la tension totale appliquée à chaque dispositif, du fait de la tension de polarisation et de la tension HF superposées oscille dans chaque période de haute fréquence entre des valeurs supérieures à la tension de seuil et des valeurs inférieures à la tension 30 d'extinction de domaine. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les paramètres physiques des dispositifs à effet Gunn ajustés dans les limites d'un pourcentage prédéterminé comprennent les temps moyens de relaxation diélectrique négative des dispositifs, 35 qui sont ajustés dans les limites de 20%, et le produit de la concentration d'équilibre de porteurs de charge et de la surface en coupe transversale des dispositifs individuels, produit qui est également ajusté dans les limites de 20%. 3. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait 40 que la valeur de la tension de polarisation pour chaque disposi*- 69 19821 18 2010845 tif est au moins égale à 1,8 fois environ la tension de seuil de chacun des dispositifs connectés en série. 4. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la relation d'inégalité prédéterminée entre le temps moyen 5 de relaxation diélectrique négative et la période de la tension HF est telle que le rapport du temps moyen de relaxation diélectrique négative à la période HF soit au moins égal à 0,15. 5. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre d'autres dispositifs à effet Gunn non 10 identiques qui ont eux aussi certains paramètres physiques ajustés dans les limites du pourcentage prédéterminé, chacun de ces autres dispositifs étant connecté en parallèle avec l'un au moins des dispositifs connectés en série précédemment mentionnés pour former un montage en série-parallèle. 15 6. Circuit selon la revendication 1, constituant une source compacte de'micro-ondes à haute puissance, caractérisé par.le fait qu'il comprend : - un premier groupe de dispositifs à effet Gunn non identi ques, en un matériau semiconducteur, dont le temps moyen de re— 20 laxation diélectrique négative et le produit de la concentration d'équilibre de porteurs de charge par la surface en coupe transversale de chacun des dispositifs individuels sont ajustés dans les limites de 20%, et qui sont chacun susceptibles d'assembler en noyau des domaines dipolaires de charge spatiale à champ éle- 25 vé formés complètement en vue de leur "transit d'une électrode d'un dispositif à l'autre lorsqu'une tension de seuil est dépassée ; - des moyens pour connecter les dispositifs à effet Gunn individuels de ce premier groupe de dispositifs en série, à 30 proximité physique mutuelle, et en série avec un circuit résonnant parallèle, pour produire une tension HF ayant une fréquence donnée et une période correspondante ; - et des moyens de polarisation pour appliquer aux dispositifs à effet Gunn connectés en série et au circuit résonnant 35 en parallèle, une tension de polarisation dont la valeur pour chaque dispositif est au moins égale à l.,8 fois . environ; la tension de seuil de chaque dispositif., le circuit résonnant ..parallèle étant accordé à une haute fréquence supérieure à la fréquence de temps de transit', qui satisfait une relation d'inéga- 40 lité tëlle que le rapport du temps de relaxation-diélectrique 69 19821 19 2010845 négative du matériau semiconducteur à la période de la tension HF soit au moins égal à 0,15, de sorte que les domaines de charge spatiale à champ élevé qui se rassemblent en noyau dans chaque diode soient incomplètement formés et aient une charge 5 spatiale nette sensiblement négative, le circuit résonnant parallèle ayant une impédance telle que la tension totale appliquée à chaque dispositif du fait de la tension de polarisation et de la tension HF superposée oscille à chaque période de haute fréquence entre des valeurs supérieures à la tension de seuil et 10 des valeurs inférieures à la tension d'extinction de domaine, de telle sorte qu'à chaque période, le domaine à champ élevé incomplètement formé soit éteint dans l'espace entre électrodes. 7. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un second groupe de dispositifs à effet 15 Gunn connectés en série, le matériau semiconducteur des dispositifs individuels présentant les paramètres physiques précités ajustés de même dans les limites de 20%, le premier groupe et le second groupe de dispositifs à effet Gunn connectés en série é-tant à leur tour connectés en parallèle pour constituer un mon-20 tage série-parallèle compact à haute puissance. 8. Circuit selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le matériau semiconducteur est l'arséniure de gallium et qu'il comprend en outre d'autres groupes de dispositifs à effet Gunn non identiques connectés en série, les paramètres physiques 25 précités du matériau semiconducteur des dispositifs individuels étant de même ajustés dans les limites de 20%, le premier groupe et les autres groupes de dispositifs à effet Gunn connectés en série étant à leur tour connectés en parallèle pour constituer un montage série-parallèle compact à haute puissance. 30 9. Circuit selon la revendication 6, caractérisé en outre par le fait qu'il comprend d'autres dispositifs à effet Gunn non i-dentiques, dont chacun est connecté en parallèle avec l'un des dispositifs précédemment mentionnés pour constituer au moins deux groupes parallèles de dispositifs qui sont à leur tour connec-35 tés en série, les paramètres physiques précités du matériau semiconducteur de chaque groupe parallèle de dispositifs étant ajustés collectivement dans les limites de 20%. 10. Circuit selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le matériau semiconducteur est l'arséniure de gallium et 40 qu'il comprend en outre plusieurs autres dispositifs à effet 19821 20 2010845 Gunn non identiques, connectés en parallèle avec chacun des dispositifs précédemment mentionnés pour constituer plusieurs groupes parallèles de dispositifs qui sont à leur tour connectés en série, les paramètres physiques précités du matériau semiconducteur de chaque groupe parallèle de dispositifs étant ajustés collectivement dans les limites de 20%o