Brevet FR2002408A1 — publié le 19691017

La présente invention se rapporte aur: circuits comportant des éléments semiconducteurs constitués par un .natériau engendrent un mécanisme de transfert d'électrons entre sous-bandes, donnât naissance à une caractéristique de con— ductivité négative différentielle de nasse. 5 Des exemples de ces matériaux sont par certains semiconducteurs du type III à Vf tels "_"ue 1'arséniure de gallium et le phospliure d1 indiur.; qui présentent une conductivité lu type II j sous certaines conditions de faible température, le germanium du type IT satisfait égale cent aux critères ci-dessus» Ces matériaux présentent la propriété lorsqu'ils sont soumis à un champ 10 électrique stationnaire, supérieur a une valeur critique,d'être parcourus par un courant résultant contenant -une composante oscillatoire. Ceci est attoibué à. la création répétée, dans le matériau, d'un domaine de champ élevé. Le domaine se propage le long- du matériau et s'éteint en permettant la âréation d'un nouveau domaine. t 15 ' Pour des raisons qui seront apparentes à partir de la description qui suit la présente invention est limitée, dans son application, exclusivement aux circuits comportant un élément semiconducteur réalisé en un matériau du type engendrant un mécanisme de transfert d'électrons entre sous-bandes, donnant naissance à une caractéristique de conductivité négative différentielle de masse, 20 qui présente des pièges profonds ayant une grande section transversale de capture pour les porteurs minoritaires quand elle est comparée avec leur section transversale de capture pour les porteurs majoritaires. Ici, ce matériau est référé comme un matériau semiconducteur du type défini ci-avant. La présente invention a pour objet de proposer des moyens perfectionnés 25 pour faire varier le profil de conductivité le long du trajet du domaine dans des éléments semiconducteurs constitués par un matériau engendrant un mécanisme de transfert entre sous-bandes. Selon l'invention, le circuit comporte s - un ccrp3 de matériau semiconducteur du type ci-dessus défini ; 30 — des moyens pour appliquer une différence de potentiel entre des zones de contact espacées sur le corps, ce qui engendre un champ électrique dans-le corps j — des mo3rens de sortie pour détecter la forme d'onde de courant associé à la propagation d'un domaine le long du corps j 35 - et des moyens pour injecter des porteurs minoritaires dans le corps à partir d'une ou de plusieurs des sones de contact latérales situées entre les r-ones de contact espacées. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-dessous. Bien entendu, la description et le dessin ne sont donnés 40 qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. ÎBAD 69 04437 2 2002408 La figure 1 représente, d'une manière schématique, un corps d'arseniure cle gallium de- type 17, situé entre de-u: uornes d1 extrémités. La figure 2 montre 11 cade de courant de sortie du dispositif de le fija- re 1, 5 Le. figura 3 est un graphique repr Isoaxai-t la vitesse de glissement dc-s électrons, tracée en fonction du champ électrique pour un matériau tel que I1 arséniurc- de gallium du type montrant une conductivité négative différentielle de masse. La figure -'r montre la forme d'onde du courant de sortie du dispositif de 10 la" figure 1, modifié pour avoir dans sa longueur -une "bande de natériau de con-ductivi té supérieure. La figure 5 représente un corps d'arseniure de gallium inclus dans un circuit selon la présente invention. 2tant donné crue les matériaux cour-us du type défini ci-avant sont tous des 15 matériaux du type II, la description qui s'ensuit concerne les matériaux du type I.'. Toutefois, la présente invention ne doit pas exclure de son otjet l'utilisation d'un matériau de type F, du type défini précédemment. Si un tel natériau devient disponible, il est tout à fait évident que ce matériau doit être utilisé d'une manière complémentaire à l'utilisation, qui est maintenant dé— 20 crite, du matériau de type II. La figure 1 représente un dispositif réalisé à partir d'un corps 1 de matériau semiconducteur du type I;_ et du type défini précédemment. Le matériau du corps est uniforme, et il en est de même de.sa section transversale. Les extrémités du. corps sont équipées avec des homes 2, de telle sorte qu'une dif-25 fcrer.ce de potentiel peut être appliquée au corps. Si une différence de potentiel permanente est appliquée, il en-résulte un champ électrique supérieur à une valeur critique, et l'onde de courant a la forme représentée sur làûfigure 2f où l'intervalle de temps entre deux pointes consécutives de courant est 6— g:-le .u temps de transit d'un domaine entre les extrémités du corps. 30 Cette forme d'ende de courant peut être expliquée en référence à la figu re 3, qui montre une caractéristique typique de la vitesse Y de glissement des électrons, tracée en fonction de l'intensité du champ 3. Pour de l'arséniure de gallium, du type 17, le rapport du seuil de. Y à Y minimal, est approximativement de ceux. L'écoulement du courant à travers le corps est déterminé par 35 le produit du nombre de porteurs et de leur vitesse de glissement, du début, quand un domaine se foyme, le cerrant traverse un maximum, proportionnel au. seuil de V ; ensuite, une fois que le domaine est formé., le courant à travers le corps est limité par la vitc-sss de glissement des porteurs dans le domaine qui, en première 'approximation, est égale à Y min. 40 3:i conséquence, sur la figure 2, le courant dans les vallées est approrei-- &AD ORIGINAL 69 04437 3 2002408 mativement la moitié du courant de pointe dans les crêtes. Si, toutefois, le domaine est amené à se propager à travers un corps non uniforme, présentant des zones locales ayant une concentration de porteurs accrue, le courant augmente en conséquence, quand le domaine traverse ces zones. La figure 4 montre-5 une forme d'onde typique de courant pour un corps présentant, dans sa lon.ruour, une simple "bande de conductivité supérieure. Dans ce cas, au cours de chaque cycle, lo courant fait une sinple excursion à partir de son niveau permanent entre cycles. Il y a, toutefois, une limite à l'accroissement de la conductivité qui peut être toléré sans perturber la fréquence de répétition. Ceci se pro-10 duit parce que, si le domaine rencontre une conductivité qui fait croître le courant résultant à la valeur de pointe requise pour former ce domaine, un nouveau donaine est formé et le domaine original est immédiatement éteint, avant qu'il ait eu le temps de parcourir la longueur totale du corps. 15 nir une forme d'onde déterminée de courant de sortie, à partir d'un corps présentant sur sa longueur le profil de conductivité requis. Un tel dispositif peut fonctionner selon un mode litre, par lequel la tension appliquée est toujours supérieure à Gelle nécessaire pour créer un domaine. En variante, il peut fonctionner selon un mode commandé, auquel cas la tension est suffisante pour 20 maintenir un domaine une fois qu'il a été formé, mais un nouveau domaine n'est pas créé jusqu'à ce qu'une impulsion de commande soit superposée à la polarisation permanente. Le profil de conductivité requis peut être obtenu soit par un dopage sélectif le lon£ du corps, soit en conformant le corps pour lui donner une section transversale non uniforme. 25 L'inconvénient de ces moyens pour obtenir le profil de conductivité re quis est qu'ils sont préréglés. La présente invention concerne un circuit dans lequel le profil de conductivité du corps peut être réglé électroniquement et peut, en conséquence, varier à volonté. 30 la propagation d'un domaine le long d'un corçs d'arséniure de gallium du type il. La polarisation de tension appliquée au corps, quand ce domaine se propage, est si grande qu'elle provoque la formation d'une ionisation d'impact dans le voisinage du domaine. En faisant varier la grandeur de cette polarisation, quand le domaine se propage, il est possible de créer une répartition spécifi-35 que de l'ionisation d'impact sur la longueur du corps. L'ionisation d'impact orée ces paires de trous d'électrons, et tandis que los trous sont propagés relativement rapidement, la durée de vie des électrons en excès est de l'ordre do 350 nanosecondes. Au cours de cette durée de vie, ces électrons en excès se superposent au profil de conductivité sur le corps, selon leur répartition. 40 La différence an durée de vie des deux types de porteurs créés par l'icni- Soutefois, tout en travaillant dans cette limite, il est possible d'obte- Un moyen pour régler le profil de conductivité requis est de le régler par 69 04437 2002408 sation d'impact, est clue à la présence dans le matériau de pièges demeurant er. profondeur--formés piJr les accepteurs. ~ . Au:: températures ambiantes, ces accepteurs, étant constitués par un matériau 'de type ïT, sont normalement remplis et deviennent ainsi chargés négativement. D'ans cet état, ils présentent une sec-5 tion transversale de capture relativement grande pour les trous, tandis ."lie quand ils capturent ua. trou., lour charge est neutralisée et sans l'attraction de Coulomb leur"section transversale de capture subséquente pour les électrons est respectivement plus faible. Ces pièges paraissent être présents naturellement dans des échantillons 10 d'arséniure de gallium de type 17, actuellement disponibles, bien que leur origine n'est pas connue. Bcur; théories ont été avancées pour expliquer leur existence, s oit qu'ils sont formés par les défauts dans le réseau du cristal, soit qu'ils sont formés par 11 o;:;/.jsne présent dans le cristo,l, à titre à' impureté « Four engendrer d'autres matériaux du type défini, il peut, toutefois, être né-15 cessaire d'introduire délibérément une impureté dans le matériau de base, afin d'engendrer les pièges nécessaires. Le même mécanisme de ««.pture . , référé ci-dessus, en connexion avec l1 ionisation d'impact est utilisé pour régler un profil de conductivité particu— lier dans le circuit de la présente invention, avec la différence qu'au lieu-20 d'utiliser l'ionisation d'impact pour créer des paires d'électrons destinés à neutraliser les pièges, ils sont neutralisés par l'injection directe des trous provenant d'une ou de plusieurs jonctions redresseuses, situées sur le côté du corps. En se référant à la figure 5> le circuit selon l'invention est constitué 25 pa r un corps- 50 d'arséniure de gallium du type ïî, terminé à chaque extrémité par un contact 51• Ces contacts 51 sont reliés à une source de tension, non représentée, de telle sorte qu'une différence de potentiel peut être développée à travers le corps 50. Sur le cêté du corps, il est forcé une série de sonesde contacte latérales redresseuses 52, réalisées à partir d'un matériau du type F, 30 et celles-ci sont connectées individuellement, par l'intermédiaire de commutateurs isolants 53, 2. des sources de potentiel également non représentées. La forme.d'onde de courant"de sortie associé à la propagation d'un domaine le long du corps pe.ut être détectée dqns lé circuit utilisé pour appliquer les différences de potentiel entre les contacts d'extrémités 51> ou bien, en variante, 35 peut être dérivée d'une sonde couplée capacitivenent et référencée 54. Pour faire fonctionner le circuit , le profil de conductivité est réfclé, contacts ~ avant qu'un domaine soit lancé, par la polarisation directe des 7~' lâter-rx52. ceux-ci de telle sorte que des trous sont injectés à partir de 7 clans le corps. Ensuite, la différence de potentiel entre les contacts d'extrémité 51 est au;'..en-40 tée de telle sorte gn'un domaine est créé. bad original w I - .. 69 04437 5 2002408 Les contacts latéraux 52 doivent être isolas avant qu'un domaine passe, ou bien leur potentiel doit chuter quant, il passe, si le clonaine est capabl-le procéder au-delà du contact, car r.v.trenent la cliute de potentiel dans ce"uvc partie du corps sous un contact latéral eu travers duquel passe un domains, fait que la jonction -devient polarisée directement. Si ceci se produisais 1'* coulcment ae courant nue saunent à travers le contact latéral s'établirait qu'a ce qu'il atteigne une valeur suffisante pour qv.'un. nouveau domaine soit créti. Conue cela est expliqué précédem;.;.ont, la création d'un, nouveau d.naine resuite auto mat i rue men t de l'entir.ction de l'ancien. Dans ce circuit* les contacts latérale, sont aménagés rcur être capables d'être isolés et les moyens isoid :ent sont représentes par? les commutateurs 53, sur la figure 5» l'aturellement, l'inverse est vrai, c'est-à-dire que l'isolement n'est pas nécessaire si les contacts latératî.: sont simplement utilisés pour modifier la fréquence libre du corps, en 3'arrangeant pour éteindre délibérément les domaines au contact latéral particulier, La durée de vie d'un profil de conductivité particulier, en supposant ..u1 il n'est pas ramené à son état initial entre chaque transit de domaine, est déterminée par la section transversale de capture des porteurs majoritaires par les pièges situés en profondeur. Comme cela est expliqué ci-dessus, cette section transversale de capture est relativement faible par suite de l'absence de l'attraction de Coulomb, et ainsi, un tel circuit peut être utilisé comme dispositif mémoire de courte durée. Pour de l'arséniure de gallium du. type ÏT, la durée de vie est de I*ordre d> 350 nanosecondes. En variante, si le p\o-fil de conductivité peut être ramené à son état initial rs{julisrement, le circuit peut être utilisé comme codeur. Pourvu qu'il ait été réglé électroniquement, il doit Être capable d'effacer un profil de conductivité donné par un découpage op.-ique, en utilisant la lumière de l'énergie des pilotons appropriée nécessaire pour exciter les électrons à partir de la bande de valence dans les pièges. Z>ieu que les principes de la présente invention aient été décrits ci—^eF sus en relation avec un e::e~ple particulier de réalisation, on comprendra clai rement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne lira to pas la portée de l'invention» [BAD OR! 69 04437 6 2002408 2SOTIDICi.2-ICI7S 1°) Circuit comportant un corps de matériau semiconducteur formé par un matériau engendrant un mécanisme de transfert d4 électrons entre sous-c2nd.33: c-aractérisé en ce -vu'il comporte : - des r.oyens pour appliquer une différsr.oe do potentiel entre des zones de contact espacées sur le corps- co i en^eîidre un clia:..v électrique dans le corps ; - des moyens de sortie pour détecter If, foras d'onde de courant ansocié à la propagation d'un domaine le Icng du corps $ - des moyens pour injecter des porteurs minoritaires cLz^is j.0 corpst à partir d'une ou de plusieurs aonea de contact l'itérai situées entre les zones ds contact espacées. 2°) Circuit selon la revendication, 1e), caractérisé en c;- que le corps de matériau semiconducteur est du type I>7. 3°) Circuit selon la revendication 2°), caractérisé en ce que le corps de matériau semiconducteur est ds 11 arséniurs de gallium. 4°) Circuit selon la revendication 1°), caractérisé en ce que les moyens d'injection comportent des jonctions redrêsseuses formées sur un cStê du corps dans la direction de propagation du domaine le long du corps. 5°) Circuit selon la revendication 4°)> caractérisé en ce que les moyens d'injection comportent également des moyens de commutation et des moyens de polarisation, couplés aux jonctions rodresseuses. BAD ORIGINAL