Brevet FR2015471A1 — publié le 19700430

-1- 201S471 La présente invention a trait à un commutateur à haute tension. Le commutateur de l'invention est un transistor à effet de champ sans commande gui peut être commuté par une tension positive, négative ou alternative. Le tenue sans commande 5 utilisé ici se rapporte à un dispositif qui ne comporte pas une électrode de commande distincte et séparée. Des transistors classiques à effet de champ et à film mince ne peuvent pas être commutés par une tension élevée. Si une haute tension, par exemple de l'ordre de 4-0 volts ou plus éle-10 vée, est appliquée entre la source et le drain d'un tel dispositif, il s'arrête de fonctionner soit parce qu'une puissance importante est dissipée dans la zone semi-conductrice, en provoquant un échauffement inadmissible, soit parce que l'électrode de commande étant à un potentiel voisin de celui de la source, 15 engendre un champ élevé entre l'électrode de commande et le drain pouvant provoquer un claquage diélectrique de l'isolant de l'électrode de commande. En outre, les transistors à effet de champ et à film mince classiques fonctionnent dans le premier ou le troisième qua-20 drant de la caractéristique courant-tension, mais pas dans les deux. Si le dispositif est du type -n, il fonctionne dans le premier quadrant et s'il est du type -p, il fonctionne dans le quatrième quadrant. Le "but de l'invention consiste à mettre en oeuvre un tran-25 sistor à effet de champ et à film mince sans commande ayant des caractéristiques électriques analogues dans le premier et le troisième quadrants et pouvant être commuté par une tension élevée positive, négative, ou alternative. A cet effet, l'invention réside dans un transistor à effet 30 de champ et à film mince ayant des caractéristiques analogues dans le premier et le troisième cadran, ce transistor comprenant un substrat conducteur de l'électricité, une première couche d'un matériau conducteur de la chaleur et isolant de l'électricité placée sur au moins la surface supérieure du substrat 35 métallique, une première et une deuxième électrodes séparées l'une de l'autre et placées sur cette première couche d'un matériau conducteur de la chaleur et isolant de l'électricité, une couche d'un matériau semi-conducteur placée sur cette pre 69 23830 -2- 2015471 mière couche entre la première et la deuxième électrodes et en contact physique et électrique avec ces électrodes, et une deuxième couche d'un matériau isolant de l'électricité placée sur la couche du matériau semi-conducteur. 5 L'invention sera mieux comprise en se référant à la des cription qui va suivre et aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue latérale partiellement coupée en section droite d'un transistor à effet de champ et à film mince selon 1'invention ; 10 - la figure 2 représente une caractéristique courant-ten- sion du dispositif de la figure 1 ; - les figures 3 et 4 représentent des schémas de circuits d'un dispositif d'utilisation du dispositif de la figure 1 ; - la figure 5 est une vue latérale d'un appareil utilisé 15 selon l'invention ; - la figure 6 est une vue supérieure de l'appareil de la figure 5 ; - la figure 7 est une vue latérale d'un autre appareil utilisé selon 1'invention ; 20 - la figure 8 est une vue supérieure de l'appareil de la figure 7• Sur la figure 1 on a représente un transistor 10 à effet de champ et à film mince. Ce transistor 10 comporte un substrat 12, des couches d'un matériau conducteur de la chaleur et iso-25 lant de l'électricité 13 et 15, un contact ou électrode de source 14, un contact ou électrode de drain 16, une couche d'un matériau semi-conducteur 18 et une autre couche d'un isolant électrique 20. Le substrat 12 peut être souple, semi-rigide, ou rigide et il peut être constitué par une feuille, une bande, un 30 bloc d'un matériau conducteur de l'électricité tel que le nickel, l'aluminium, le cuivre, l'étain, le molybdène, le tungstène, le tantale, le béryllium, l'argent, l'or, le platine, le magnésium et leurs alliages, des alliages à base de fer, ou du silicium. L'épaisseur du substrat n'est pas critique et il doit sim-35 plement être suffisamment épais pour pouvoir conduire un courant électrique. L'épaisseur minimale est de l'ordre de 200 A. Les couches 13 et 15 servent à isoler électriquement le transistor du substrat et le substrat d'un support ou dispositif 69 23830 -3- 2015471 de montage, la couche 15 est facultative suivant le support ou dispositif de montage employé. les couches 13 et 15 sont constituées d'un matériau conducteur de la chaleur et isolant de l'électricité, les couch.es 13 5 et 15 peuvent être constituées d'un oxyde d'un métal constituant le substrat, par exemple de l'oxyde d'aluminium, d'un oxyde de silicium, par exemple du bioxyde de silicium, de l'oxyde de béryllium, de l'oxyde de titane, des verres tels que le silicate de plomb, le borate de plomb, le borosilicate de plomb, et leur 10 mélange, ou de résines séchées telles que de la résine époxy, de la résine d'un polyester, des résines au silicium, et des résines àu polyuréthane. Ces résines peuvent comporter un matériau de remplissage de 20 % en poids, ce matériau étant conducteur de la chaleur et isolant de l'électricité, par exemple des par-15 ticules d'aluminium anodisé ou d'oxyde de béryllium passant dans un tamis de 16 à 20 mailles au centimètre linéaire. l'épaisseur des couch.es 13 et 15 et tout spécialement de la couche 13 dépendent de la tension de fonctionnement du dispo- O sitif. Une couche de 10 000 A d'épaisseur en oxyde d1 aluminium 20 est satisfaisante pour une tension de fonctionnement de 300 volts O et une couche de 20 000 A d'épaisseur d'oxyde d'aluminium est satisfaisante pour une tension de 600 volts. la source 14 et le drain 16 sont déposés sur la couch.e 13 et séparés l'un de l'autre. Oes électrodes peuvent être déposées 25 par condensation de vapeur ou bien en utilisant un pochoir. les électrodes de source et de drain peuvent être constituées d'un métal quelconque formant un contact ohmique avec le matériau semi-conducteur 18. Des exemples de métaux convenables sont l'or, le nickel, l'argent, l'indium, l'aluminium et leurs 30 alliages. Certains métaux sont préférables quand on utilise des matériaux semi-conducteurs particuliers. Par exemple, il est préférable d'utiliser de l'or ou du nickel avec le tellure et de 1' indium avec le sulfure ou le séléniure de cadmium. les électrodes de source et de drain doivent être suffisam-35 ment épaisses pour permettre la conduction d'un courant. Des dispositifs satisfaisants ont été fabriqués dans lesquels les élec- O trodes de source et de drain ont une épaisseur égale à 200 A, mais on trouve dans ce cas certaines difficultés pour effectuer 69 23830 _4_ 2015471 le contact avec ces électrodes très minces, et pour cette rai- O son une épaisseur d'au moins 1 000 A est préférable. La distance entre les électrodes de source et de drain dépend des conditions de fonctionnement du dispositif. Plus 5 courte est la distance entre la source et le drain, plus élevé est le rapport actionnement-blocage du dispositif. Cependant, quand ces deux électrodes sont très voisines, la possibilité d'une coupure de tension et d'un échauffement thermique inadmissible du semi-conducteur 18 augmente. 10 Des dispositifs satisfaisants ont été fabriqués dans les quels la distance entre la source et le drain est de l'ordre de 0,012 mm. Pour un dispositif de 300 volts, la distance minimale préférable est égale à 0,025 mm, et, si la distance entre la source et le drain dépasse 0,5 mu» le rapport actionnement-15 blocage tombe jusqu'à une valeur qui limite fortement l'intérêt du dispositif. La géométrie du matériau semi-conducteur entre la source 14- et le drain 16 commande l'intensité du courant transporté par le dispositif. L'épaisseur de la couche isolante 13 comman-20 de la tension d*actionnement-blocage du dispositif. La couche du matériau semi-conducteur 18 s'étend entre la source 14 et le drain 16. La couche 18 du matériau semi-conducteur est en contact avec la source 14 et le drain 16 et elle est placée entre cette source et ce drain. De préférence, la 25 couche 18 recouvre partiellement la source 14 et le drain 16. La couche 18 peut être constituée en un matériau conducteur du type -p ou du type -n, par exemple en tellure (type -p), en sulfure de cadmium (type -n), en séléniure de cadmium (type -n), en arséniure d'indium (type -n), en arséniure de gallium (ty-30 pe -n), en oxyde d'étain (type -n), et en tellurure de plomb (•type -n ou -p). La couche 18 peut être monocristalline ou poly-cristalline, ou amorphe. L'épaisseur de la couche du matériau semi-conducteur peut ° O , , varier de 40 A à 120 A pour le tellure et, pour des matériaux 35 de plus forte résistivité, elle peut aller jusqu'à 2 000 A pour le sulfure de cadmium. Comme le matériau semi-conducteur est déposé par dépôt de vapeur ou bien par des techniques de pochoir, une couche 23830 -5- 2015471 inférieure à 40 À d'épaisseur n'est pas suffisamment continue pour être un conducteur de coursait satisfaisant. Si la couclie 18 est trop épaisse, la densité des porteurs par unité de surface est trop élevée, ce qui demande un champ électrique trop élevé dans la couche d'isolement 13 pour que le dispositif fonctionne correctement. Comme tous les isolants électriques qui conviennent pour la formation de la couche 13 et qui sont indiqués ci-dessus 7 claquent pour des tensions inférieures à 10 volts/cm, on a trouvé que la couche semi-conductrice 18 ne peut pas avoir une concentration des porteurs dépassant 5 x 10 porteurs par cm-. Pour un matériau ayant un intervalle de "bande étroit, par exemple le tellure (0,38 e v) et l'arséniure d'indium (0,33 ev), O une épaisseur d'environ 50 A approche du maximum tolérable pour la densité des porteurs, tandis que pour des matériaux à intervalle de bande élevé, tel que le séléniure de cadmium (1,7 ev), et plus particulièrement le sulfure de cadmium (2,5 O ev), l'épaisseur permise peut dépasser 2 000 A. Les valeurs de l'intervalle de bande données ci-dessus sont considérées à 27°C. La couche d'isolement 20 recouvre complètement la couche 18 du matériau semi-conducteur et le protège de l'atmosphère ambiante. La couche d'isolement 20 est constituée en un matériau conducteur de la chaleur et isolant de l'électricité, choisi parmi des isolants non organiques, tels que le monooxyde de silicium, le bioxyde de silicium, l'oxyde d'aluminium, le fluorure de calcium, le fluorure de magnésium, ou des isolants organiques polymérisés tels que des polymères d'hexachlorobuta-diène, le benzène divinyle, les sulfones d'aryle, les alkény-les fluorés (par exemple du polytétrafluoréthylène) ou le para- O xylène. Une épaisseur d'environ 300 A est l'épaisseur minimale qui permet d'éviter des piqûres dans la couche isolante. On comprendra évidemment qu'une série ou un réseau de dispositifs peuvent être fabriqués sur un substrat unique puis ensuite séparés en dispositifs distincts ou en groupe de deux ou trois dispositifs sur la même partie du substrat. Si deux dispositifs ou plus sur la même partie du substrat doivent être utilisés ensemble, il peut être nécessaire de les 69 23830 -6- 2015471 isoler électriquement les uns des autres. Ceci peut s'effectuer en découpant une rainure 21 dans le substrat jusqu'à un point 22 de la couche 15- la figure 2 représente une caractéristique courant-tension 5 du dispositif de la figure 1. On remarquera que la caractéristique I-V, à l'inverse de celle d'un transistor à film mince classique, est la même dans le premier et le troisième quadrants, en sorte que le dispositif peut être utilisé pour commuter une tension positive, négative, 10 ou alternative. Si la couche du matériau semi-conducteur est constituée d'un matériau de type -p, par exemple du tellure, le dispositif est rendu conducteur en appliquant une polarisation négative par rapport à la source 14 au substrat 12. Une polarisation positive, 15 relativement à la source 14, appliquée au substrat 12, bloque le dispositif. Des degrés intermédiaires de conductions ou de blocages peuvent être obtenus en appliquant une polarisation inférieure, ce qui rend le dispositif utilisable dans certaines applications. 20 Si la couche du matériau semi-conducteur 18 est constituée par un matériau du type -n, par exemple du sulfure de cadmium, le dispositif est rendu actif ou conducteur en appliquant une polarisation positive, relativement à la source 14, au substrat 12. Une polarisation négative relativement à la source 14 appli-25 quée au substrat 12 bloque le dispositif. Des degrés intermédiaires de conduction de blocage peuvent être obtenus en appliquant line polarisation inférieure comme dans le dispositif utilisant un matériau du type -p. Deux moyens permettant d'utiliser le dispositif de l'inven-30 tion sont représentés sur les figures 3 et 4. Sur les figures 3 et 4, une alimentation de tension 24 à 60 périodes et à 110 volts est connectée en série avec une lampe électroluminescente 26 et avec un dispositif du type -p analogue au dispositif 10 de la figure 1. Ce dispositif 10 est à son tour 35 connecté par l'intermédiaire du substrat 12 à un potentiomètre 28 et à des batteries respectives 30 et 32. Le dispositif 10 est rendu conducteur en polarisant négativement le substrat 12 du dispositif 10, en déplaçant le curseur 34 du potentiomètre 28 69 23830 -7- 2015471 dans la direction de la flèche 36. La lampe 26 peut alors être commandée en faisant varier cette polarisation. Cette polarisation peut être rendue plus négative en déplaçant le curseur 34 du potentiomètre 28 dans le sens de la flèche 36 ou bien elle peut 5 être rendue moins négative en déplaçant le curseur 34 dans le sens de la flèche 38. En rendant la polarisation du substrat 12 positive, la lampe 26 s'éteint. La brillance d'une lampe électroluminescente augmente avec la fréquence. Sur la figure 4, en remplaçant la source 24 de la figure 3 par une source 40 à courant continu et à 300 volts et en commandant le dispositif 10 par un oscillateur .>42 à 800 périodes, il est possible d'obtenir un rendement très 'amélioré de la lampe 26, ce rendement étant le rapport de la brillance à la puissance d'entrée. Un procédé permettant de préparer le dispositif 10 de la figure 1 consiste à utiliser 1'évaporation sous vide à travers des stencils métalliques. Le substrat revêtu de l'isolant est disposé dans une chambre à vide, puis un métal, par exemple de l'or ou l'un des autres métaux indiqués ci-dessus, est condensé à travers le stencil de façon à constituer les électrodes de source et de drain. Un deuxième stencil est alors substitué au premier et un matériau semi-conducteur tel que le tellure ou l'un des autres matériaux semi-conducteurs indiqués ci-dessus est condensé de façon à former la zone semi-conductrice qui s'étend entre la source et le drain. Le stencil est de nouveau changé et une couche isolante de l'électricité, par exemple une couche de monooxyde de silicium, est déposée sur la couche de matériau semi-conducteur de façon à la séparer de l'atmosphère ambiante. Dans un mode de réalisation de l'invention particulièrement avantageux, le substrat est constitué par une feuille métallique ou une bande. La souplesse de la technique de l'invention permet de sélectionner un substrat d'un type quelconque, ayant une forme et des dimensions quelconques. Une forme préférable consiste à utiliser un rouleau d'un matériau mince comportant des perforations latérales disposées uniformément le long de ses bords, comme dans un film photographique. La feuille métallique constituant le substrat revêtue d'une couche isolante constituée par un métal anodisé ou par une résine 69 23830 -8- 2015471 séchée est nettoyée dans du méthanol, séchée par de l'azote sec, puis chauffée dans un four pendant environ 30 minutes à environ 100°C. Le substrat est enlevé du four puis nettoyé dans de l'azo-5 te sec. Sur les figures 5 et 6, le substrat nettoyé est alors enrou lé sur une bobine 50, ou sur un autre dispositif d'emmagasinage, puis placé dans une chambre à vide. En utilisant un support 51 pouvant comporter une partie de 10 la feuille métallique elle-même constituant le substrat, par exemple une bande d'un composé cellulosique, le substrat 12 est placé entre des parties d'une station de dépôt 52, puis entre des éléments d'une station d'essai 54, puis entre des éléments d'une station de fixation d'éléments 56, puis sur une bobine 15 d'emmagasinage 58. La chambre à vide est vidée d'air jusqu'à une pression ré- —5 siduelle inférieure à 10 ^ mm de mercure et de préférence inférieure à 10-? mm de mercure. Le substrat 12 est déplacé de façon à mettre en position 20 correcte sa partie initiale à la station de dépôt 52. Cette station de dépôt 52 comporte un mécanisme de changement de masque 60 sur lequel sont placés une série de masques 62, un dispositif de commande d'épaisseur 64, par exemple une microbalance, un système de commande optique ou à résistance, et 25 un obturateur mécanique 66 qui est utilisé pour commander le début et la fin du dépôt. Quand la première partie du substrat avec sa couche isolante 13 placée sur lui est disposée à la station de dépôt, le masque des électrodes de source et de drain est placé sur le subs-30 trat 12 et la source 14 et le drain 16 (figure 1) sont condensés à partir d'une vapeur sur la couche isolante 13- Des dispositifs satisfaisants ont été fabriqués avec une O source et un drain ayant une épaisseur d'au moins 200 A et de O préférence de l'ordre de 1 000 A, ces dispositifs étant fabri-35 qués en déposant le métal sur le substrat isolant à une vitesse O d'environ 0,1 à 50 A par seconde et de préférence comprise entre o 0,7 et 6 A par seconde'. Après le dépôt d'une épaisseur suffisante des électrodes de 69 23830 -9- 2015471 source et de drain, indiqué par le système de commande 64, un obturateur mécanique 66 est actionné de façon à bloquer l'arrivée de la vapeur du métal. le mécanisme de changement de masques 60 est actionné de 5 5 façon à mettre en place un nouveau masque sur le substrat et la couche 18 d'un matériau semi-conducteur du type -p ou du type -n est condensée à partir d'une vapeur entre la source et le drain. Des dispositifs satisfaisants ont été fabriqués dans les- 10 quels la couche du matériau semi-conducteur a une épaisseur com- ° ° prise entre 40 et 120 A et de préférence de l'ordre de 50 A quand le matériau semi-conducteur est du tellure, et allant O jusqu'à 2 000 A pour des matériaux à intervalles de bandes plus larges tels que le sulfure et le séléniure de cadmium. 15 Après la fin du dépôt de la couche 18, le masque suivant est mis en place et la couche 20 du matériau isolant de l'électricité est condensée à partir d'une vapeur sur la couche 18 du matériau semi-conducteur. Cette couche 20 est constituée d'un matériau isolant de 20 l'électricité, par exemple du moroaxyde de silicium, du bioxyde de silicium, du fluorure de calcium, du fluorure de magnésium, de 1'hexachloro-butadiène polymérisé, du benzène polydivinyle, du polyparaxylène, et du polytétrafluoréthylène, et elle peut également être constituée d'un verre isolant de l'électricité, 25 tel que du silicate de plomb ou du borate de plomb, du boro-silicate de plomb, et leurs mélanges. Après la fin de la mise en place du dispositif ou du réseau de dispositifs, le substrat avance et cette séquence est répétée, en sorte qu'une série de dispositifs ou qu'une série 30 de réseaux de dispositifs sont formés l'un après l'autre sur le substrat. On remarquera que le mécanisme de changement de masque 60 contient plus des trois masques 62 nécessaires. Ce mécanisme 60 de la figure 4 contient 12 masques ou 4 séries de 3 masques. 35 Quand le mécanisme 60 tourne, chaque masque 62 passe sous une tête de nettoyage 63 où il est nettoyé avant d'être réutilisé. Quand les dispositifs suivants sont préparés, les dispositifs formés précédemment avancent jusqu'à l'élément d'essai 54 69 23830 -10- 2015471 où leurs caractéristiques électriques sont vérifiées. Après avoir détecté des caractéristiques électriques satisfaisantes, le dispositif avance jusqu'à la tête d'enrobage où il est enrobé entre une bande cellulosique et le substrat, 5 de façon à fermer hermétiquement ce dispositif, puis alors il est enroulé sur une bobine d'emmagasinage 58. Sur les figures 7 et 8, la station de dépôt 52 des figures 5 et 6 peut être divisée en stations séparées et, au lieu de placer les divers masques et les sources de dépôt de vapeur 10 sur ou sous le substrat, le substrat se déplace séquentiellement sous ou sur les masques 162, 262, 362 et les sources du matériau de dépôt de vapeur 152, 252, 352. Il y a une station de masques et une station de la source du matériau de dépôt de vapeur distinctes pour chaque dépôt de vapeur. 15 On comprendra évidemment que la ou les sources de dépôt de vapeur et les masques peuvent être placés au-dessous ou au-dessus du substrat quand ils traversent la chambre à vide. Le même appareil peut être utilisé pour former le dispositif de l'invention sur des blocs autres que des bandes métal» 20 liques ou des feuilles métalliques. Dans un tel cas, le bloc est disposé sur une bande d'un matériau convenable quelconque et déplacé à travers une chambre à vide puis placé sous les divers masques pour pouvoir effectuer les dépôts nécessaires. Comme le dispositif de l'invention peut être déposé sur un 25 substrat de silicium, ce dispositif peut être utilisé avec des circuits intégrés, en étant déposé directement sur le même bloc que les éléments du circuit intégré. 69 23830 n 2015471 REVENDICATIONS 1 <> Transistor à effet de champ et à film mince ayant des caractéristiques identiques dans le premier et le troisième quadrant, ce transistor comportant un substrat conducteur de l'électricité, une première couche d'un matériau conducteur de la chaleur 5 et isolant de l'électricité placé sur au moins la surface supérieure du substrat métallique, une première et une deuxième électrode placées sur cette première couche, une couche d'un matériau semi-conducteur placée sur la première couche du matériau isolant de l'électricité entre la première et la deuxième électrode et en 10 contact physique et électrique avec ces électrodes, et une deuxième couche d'un matériau isolant de l'électricité placée sur la couche du matériau semi-conducteur. 2« Transistor selon la revendication 1, dans lequel le substrat peut être constitué par du nickel, de l'aluminium, du cuivre, 15 de l'étain, du molybdène, du tungstène, du tantale, du béryllium, de l'argent, de l'or, du platine, du magnésium et leurs alliages, des alliages à base de fer, et du siliciua» 3* Transistor selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première et la deuxième électrode peuvent être constituées en or, 20 nickel, argent, indium, aluminium, ou leurs alliages. 4. Transistor selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche du matériau semi-conducteur peut être constituée en tellure, sulfure de cadmium, séléniure de cadmium, arséniure d'in-dium, arséniure de gallium, oxyde d'étain ou tellurure de plomb. 25 5» Transistor selon l'une des revendications 1 à 4, dans le quel le matériau constituant la première couche conductrice de la chaleur et isolante de l'électricité est un oxyde métallique, du verre, une résine séchée, ou une résine séchée comportant un matériau de remplissage. 30 6. Transistor selon la revendication 1, dans lequel le sub strat peut être constitué en aluminium, la première couche isolante est constituée par de l'oxyde dtaluminium, et le matériau seai~ conducteur est du tellure. 7. Transistor selon la revendication 1, pouvant être rendu 35 conducteur ou bloqué par une tension appliquée au substrat métallique.