Brevet FR2028840A1 — publié le 19701016

On. sait que les potentiels disruptifs de semiconducteurs, tels que germanium ou silicium, se situent au-dessus de 10"* V/cm, Bien qu'il soit actuellement possible de réaliser des monocristaux semiconducteurs avec des longueurs de diffusion des porteurs de charge supérieures à 1 mm, il n'est 5 pas encore possible de réaliser dés jonctions p-n (par exemple avec le silicium) supportant plusieurs kV. Une des raisons de cet état de choses est due à l'apparition d'un effet d'avalanche avec multiplication des porteurs de charges se produisant avant que ne soit atteinte l'intensité de champ Zener. Dans le silicium, un vrai claquage Zener n'est possible que dans le domaine de tension 10 de 0 à 6 V (A Goetzberger "Avalanche Breakdown in Silicon" Problème de corps solides III, 1964, pages 209-231 de Prof. Dr. F Sauter- Editeur Friedrich Vieweg & Fils, Braunschweig, 1964). Une autre raison décisive en haute tension est liée à une absorption de puissance très élevée dans la zone de charge d'espace. 15 Pour une tension inverse U„, la largeur x de la zone de charge d'espace peut être calculée à partir de la formule suivante : U . (!) * = (2fc —)1/2 £■= £,,o £ , avec = constante diélectrique du semiconducteur, Ç. = 20 Ho H ^ o constante de déplacement ^ = charge élémentaire et N = concentration du silicium en impuretés. Pour le silicium à résistance élevée - dopé à environ 13 3 N = 10 /cm - et une tension inverse UD = 5000 Volts, la largeur de la zone K de charge d'espace est : 25 x = 9,5 • 10"2 cm soit environ 1 mm. En admettant que la résistivitê du silicium dans la zone de charge d'espace est égale à la résistivitê intrinsèque spécifique = 10^ohm/cm, 30 la résistance totale R de la zone de charge d'espace est pour une surface F - 1 cm2 : -4 R = C. x = 10 ohms -r 1 F 2 Le courant inverse I„ à travers cette surface de 1 cm est : K 5000 „ „ . I = r = 0,5 A 35 10 On peut ainsi évaluer la puissance électrique Q dissipée dans la jonction de 1 mm d'épaisseur. Q = IR . UR = 2500 W 69 34045 2 2028840 Cette absorption de puissance par la jonction conduirait, quel que soit le mode de refroidissement adopté, à un échauffement inadmissible 13 3 du redresseur. Pour des dopages supérieurs à 10 /cm , le calcul donne des 13 3 dissipations thermiques encore plus élevées. Des dopages £inférieurs à 10 /cm 5 n'étant guère utilisables pour le silicium, ce simple calcul approximatif montre que des tensions inverses très élevées sont irréalisables sur de telles jonctions p-n, à cause des effets thermiques. L'invention décrit un dispositif, permettant de réaliser notamment des redresseurs, des diodes et des commutateurs électroniques pour lesquels 10 on évite, même pour les tensions de service les plus élevées, l'effet d'avalanche et les dissipations thermiques inadmissibles. Le principe de l'invention est de répartir la tension inverse élevée IL, et la zone de charge d'espace liée à cette tension sur plusieurs zones de charge d'espace de faible épaisseur (dans un même dispositif à l'état solide). La tension réellement appliquée 15 à chacune des zones de charges d'espace est par exemple inférieure à 6 V. Les figures la. et la' représentent un tel dispositif. Il est formé d'une suite de couches monocristallines de silicium. En appliquant à un tel dispositif de plusieurs régions (par exemple 1000 couches n; voir figure l£i une tension inverse U_ = 5000 V, chaque couche n n'est soumise en réalité qu'à une tension K — 20 llj =5 ï. Aucun effet d'avalanche n'est donc à craindre dans un tel dispositif malgré la tension totale très élevée. Si l'on ramène le dopage des différentes 13 3 couches n à 10 /cm et leur largeur x^ selon l'équation (1) juste aux dimensions d'une zone de charge d'espace correspondant à une tension de blocage de 2 5 V, la largeur de x^ est de 30 ^u. La résistance inverse - ramenée à 1 cm -25 de chacune de ces zones de charge d'espace est : x. R . = £ . —— = 300 ohms ri 1 F Le courant inverse est : 30 Ht - -iôô •-1-6 •10-2 A La puissance absorbée par couche est : Q. =1,, . U. = 8,4.10~2 W • i R i 3 La puissance Q du redresseur a tension inverse de 5000 V est 10 fois plus 35 grande ; v = 103 69 34045 3 2028840 Une absorption de puissance de 84 W (pour 1 cm de surface refroidissante) ne doit pas forcément entraîner un échauffement inadmissible du redresseur à condition d'utiliser un refroidissement approprié. Le dispositif au silicium correspondant à l'invention travaille donc de manière très 5 satisfaisante même jusqu'à 5000 V. Lors de l'invention de la polarité, le dispositif a une bonne conduction, car les jonctions p+ n"*" sont alors des "diodes tunnel polarisées dans le sens inverse". La condition de Shockley de "jonction pn à faible recombinaison" 10 est mieux satisfaite et les caractéristiques inverses et directes du dispositif à plusieurs régions sont par suite meilleures - que pour un seul redresseur pn de même tension. La condition ^ x (1 = longueur de diffusion des porteurs de charge) est plus facilement réalisable dans un dispositif à plusieurs régions selon l'invention. 15 Ce dispositif présente encore un autre intérêt. Grâce au branche ment en série des 1000 capacités de jonction par exemple, la capacité à vide 3 du redresseur est 10 plus petite que celle d'une seule jonction p-n. La capa- X. / 2 cité d'une jonction pn abrupte diminue comme U , alor^/que celle du dispositif à plusieurs régions selon l'invention diminue comme i (v =^nombre 20 de jonctions), sous une même tension UR U^ ; la capacité totale du dispositif à plusieurs régions est donc inférieure encore dans le rapport -1/2 v à la capacité d'une jonction pn unique, même sous la tension maximale UR. Un redresseur ou une diode selon l'invention peut donc fonctionner à des fréquences plus élevées qu'une jonction pn unique. 25 Les figures lb_ à If représentent des dispositifs à plusieurs régions, pouvant également fonctionner en redresseur à un seul sens inverse. Les figures 2a_ à 2n représentent des dispositifs à plusieurs régions analogues, mais bloquant dans les deux directions et constituant des composants pour courant alternatif. 30 Le dopage des couches n et £ des figures lai à If^ et 2a^ à 2n est 19 3 tel que la concentration des porteurs de charge mobiles est au maximum de 10 /cm Ces couches forment (seules ou doubles) les "régions I" du dispositif. Le dopage des couches n+ et p+ est suffisamment élevé pour que la concentration 19 3 des porteurs de charge mobiles soit d'au moins 10 /cm . Ces couches forment 35 (seules ou doubles) les "régions II" du dispositif selon l'invention. Des dispositifs monocristallins (tels que ceux des figures la', lb', lcr et 2a') peuvent être réalisés par croissance épitaxique en phase vapeur, 69 34045 4 2028840 par fusion ou par évaporation sous vide poussé et traitement thermique approprié. Selon une autre particularité de l'invention, les régions I et II peuvent également être produites latéralement (voir 11)1 et le1), c'est-à-dire perpendiculairement à la couche monocristalline semiconducfrice, par diffusion 5 planar ou par implantation d'ions. La réalisation du dispositif à plusieurs régions est particulièrement simple, quand on utilise comme région II des semiconducteurs métalliques ou très dopés, sous forme de contacts Schottky sur semiconducteurs ou sur isolant (constituant la région i). 10 Les courants inverses d'un contact Schottky sur semiconducteur ne sont pas aussi faibles que ceux d'une jonction pn, mais cet inconvénient est en grande partie compensé par l'adoption du dispositif à plusieurs régions selon l'invention. Le courant inverse I d'une jonction pn ou d'un contact Schottky K 15 est décrit par l'équation : f - _Z (2) ^ =Is [l-e KT Ig étant le courant de saturation, q la charge élémentaire, k la constante de Bolzmann, T la température absolue et IL. la tension inverse appliquée à K la jonction pn ou au contact Schottky, 20 La différence fondamentale entre une jonction pn et un contact Schottky réside donc dans la différence entre les ordres de grandeur de I qui est beaucoup plus petit pour une jonction pn^î. spenke "semiconducteurs électroniques" pages 100/101 et N. 80/83, 1956 Springer Verla^j. Les valeurs théoriques très faibles du courant de saturation I d'une jonction pn ne sont 25 toutefois pas atteintes en pratique. De plus, l'expression I du contact Schottky., (3) I = —1 Z v., . N_ VTlr comprend la concentration limite NR de la couche d'appauvrissement, (v^ = vitesse thermique moyenne des porteurs de charge). En posant NR = , 30 (concentration limite s. concentration intrinsèque), il est possible de maintenir dans un dispositif à plusieurs régions Ig et par suite le courant inverse des contacts Schottky à une valeur suffisamment faible, par un choix approprié du travail de sortie thermique et surtout le choix d'un semiconducteur à grande largeur de bande interdite (faible N^) 35 Selon une autre particularité de l'invention, on utilise comme 69 34045 5 2028840 régions permettant la propagationrdes zones de charge d'espace sur les contacts Schottky des couches semiconductrices monocristallines, mosaïques3 polycristallines ou des couches minérales ou organiques "amorphes" ou "vitreuses", ou des couches isolantes minérales ou organiques. Ces régions 5 I et les régions II peuvent être obtenues à partir des méthodes connues, telles qu'évaporation sous vide poussé, pulvérisation cathodique, pulvérisation réactive, pulvérisation cathodique haute fréquence, dépôt pyrolytique, chimique ou électrochimique, ou par des faisceauxioniques. Elles peuvent également être réalisées en superposant des films minces'(films évaporés 10 sous vide poussé) qui seront éventuellement pressés ou laminés ensuite. La pulvérisation à la flamme peut également être utilisée pour la réalisation des régions I et II. Une combinaison de ces différentes méthodes peut également être envisagée par exemple évaporation d'une couche métallique suivie d'une 15 oxydation anodique ou d'une oxydation partielle. Les contacts Schottky assumant selon l'invention la fonction des 4* -t- + 4* jonctions p n-, p p-, n p- et n n- (aux figures la à 1 f et 2& à 2n), leur choix est très important. Etant donné qu'une surface conductrice métallique (surface métal-20 lique ou surface semiconductrice fortement dopée) a un travail de sortie dans le vide 0^, dépendant fortement de la pureté et de l'état de la surface, et que d'autre part une surface semiconductrice ou isolante sans contact Schottky a déjà des états de surface, on désigne par y M, H 0U leS travaux de sortie thermiques effectifs des électrons ou des trous d'une sur-25 face métallique en contact avec un semiconducteur ou un isolant ayant un intervalle entre bandes A E. Pour chaque contact Schottky, la somme des travaux de sortie thermiques effectifs est égale à la largeur de bande du semiconducteur ou de l'isolant (E. Spenke "Semiconducteurs électroniques" page 347 1956 Springer Verlag). 30 (n) . , (p) (4) Y + Y = A E M,H ' M,H On en déduit les travaux de sortie thermiques effectifs des élec- V * 35 (5) T = (f trons: . Y . M,H 0 H 2 quasi-travail de sortie sous vide de la surface métallique, n'est pas identique au travail de sortie 0^ de la surface métallique. 0^ est le travail de sortie du semiconducteur ou de l'isolant, mesuré photoélectriquement. 69 34045 6 2028840 Pour les travaux de sortie thermiques effectifs des trous positifs, on a alors : V (p) M, H ~^H + 2 ) ou (6) y (p) = 0 + K ' I M,H H 2 M 10 Les valeurs ^ ou ^ positives correspondent M,H M,H + + (comme pour les jonctions p n ou n p) à des couches limites d'appauvrissement sur le contact Schottky, c'est-à-dire à des zones de charge d'espace, dont l'épaisseur x^ peut être calculée en absence de courant à partir de l'équation 15 (1), en adoptant pour U les travaux de sortie thermiques selon les équations R (5) et (6). Les valeurs ^ ou ^ négatives correspondent ^omme M,H M,H + + pour les p p ou n n) à des couches limites d'enrichissement sur le contact 20 Schottky, donc à des "contacts ohmiques". On en déduit que des couches limites d'appauvrissement ne sont possibles que sur les surfaces métalliques où les inégalités suivantes sont vérifiées: 4 A g 25 (7a) 0M > 0„ - —7T pour semiconducteurs de type n ~ M ^ H Z — • 4 A V. (7b) 0„ V 0„ + —— pour semiconducteurs de type £ — M ^ H Z Des couches limites d'enrichissement ne peuvent se créer que sur 30 les surfaces métalliques vérifiant les inégalités suivantes : £ A E (8a) 0„ ■C. 0tt ~ —ô" pour semiconducteurs du type n — M. HZ . A ('8b) >• 0_ + —7? pour semiconducteurs de type p — M n £• 35 Dans le cas d'un semiconducteur intrinsèque, l'équation (8a) donne la condition de formation d'une couche d'enrichissement d'électrons et l'équation (8b) la condition de formation d'une couche d'enrichissement de trous. Pour le silicium par exemple, avec un écart de bandes ,^E =1,2 eV et un travail de sortie des électrons mesuré par une méthode optique 0 =5,16 eVj 69 34045 7 2026640 On peut déduire que les quasi-trayaux de sortie 0* des contacts Schottky sur du silicium n doivent être supérieurs ou inférieurs à 4,56 eV pour que l'on ait des couches limites d'enrichissement ou d'appauvrissement; sur du silicium p, 0* doit être plus petit ou plus grand que 5,66 eV. 5 Bien que les quasi-travaux de sortie 0^ soient des grandeurs très complexes, comme précédemment indiqué, ëUes présentent néanmoins une relation qualitative univoque avec les travaux desortie sous vide 0^ des surfaces métalliques. En pratique, il est donc possible,à l'aide de contacts Schottky, de créer les couches limites d'appauvrissement ou d'enrichissement nécessaires 10 au dispositif à plusieurs régions, grâce à l'utilisation de couches douées de travaux de sortie 0^ suffisamment grands ou petits. Avec les métaux, on dispose de travaux de sortie sous vide compris entre environ 1 eV (pour les métaux alcalins) et 6 eV (pour les métaux précieux). De plus, il existe des alliages chimiques, tels qu'oxydes, borures, nitrures, 15 carbures, sulfures, halogénures et composés intermétalliques, ayant une différence dans les travaux de sortie sous vide encore plus grande. Des fils d'oxydes de césium-tungstène ou de césium-argent ont par exemple des travaux de sortie compris entre 0,7 à 0,8 eV, tandis que l'on a mesuré sur des couches d'oxyde de tungstène des travaux de sortie sous vide pouvant atteindre 9,2 eV 20 et les valeurs de certains isolants se situent au-delà. Pour créer des contacts Schottky on peut donc, selon l'invention, intercaler entre la couche semiconductrice ou isolante et la couche métallique de tels composés chimiques sous forme de couches si minces qu'elles n'influencent pas la conductibilité électrique du dispositif à plusieurs régions par 25 suite de l'effet tunnel et que, d'autre part, elles augmentent ou diminuent les travaux de sortie des .électrons ou des trous dans le semiconducteur ou dans l'isolant. Des couches d'une épaisseur inférieure à 10 cm suffisent pour cet usage. Ces dispositions permettent, dans la plupart des cas, de créer une 30 couche limite d'appauvrissement et d'enrichissement dans les couches semi- conductrices ou isolantes d'un dispositif à plusieurs régions selon l'invention. Dans certains cas cependant, cela n'est pas possible. Par exemple, si l'on utilise des semiconducteurs intrinsèques ou des isolants à écart de bandes très élevé (par exemple : & E >6 eV), il n'existe pratiquement pas de 35 contact Schottky bon conducteur et à travaux de sortie suffisants pour permettre la formation de couches limites d'enrichissement en trous dans l'isolant. Dans ce cas, on obtient deux couches limites d'appauvrissement dans chaque région I. Par contre, si 1'on maintient les couches semiconductrices ou les couches isolantes - c'est-à-dire la région I - suffisamment minces pour que l'effet tunnel sans tension extérieure soit juste possible (ou bien au contraire juste 69 34045 8 impossible), ce dispositif à plusieurs régions peut être utilisé comme Redresseur. Puisque les deux travaux de sortie thermiques dans la région I.sont différents, le courant circule plus facilement dans un sens que dans l'autre si l'on applique une tension alternative à ce dispositif. La densité de 5 courant j dans un contact tunnel dépend très fortement du travail de sortie T 3/2 thearmique effectif H* „ (et ceci avec m.H )■ rapport des résistances M,H e * électriques (mesuré dans un sens R^ et dans l'autre 'sens R2) de ce dispositif à plusieurs régions s'écrit : ^3/2 10 (9) A = 6 (M'H)1 R2 Y 3/2 e (M,H)2 A l'aide des équations (5) et (6), on montre facilement que le R1 15 rapport — peut devenir plus grand que 10. Si l'on diminue suffisamment R2 l'épaisseur x^ pour avoir un courant notable dans un sens même sous faible tension, tandis que l'autre sens demeure bloqué, le dispositif se présente comme un redresseur analogue aux figures lji à l_f. Pour avoir des dispositifs tels que ceux représentés aux figures 2a à 2n,x^ peut être encore plus épaisse. 20 En général les épaisseurs x^ des couches semiconductrices ou des couches isolantes (régions i) sont choisies plus petites que 10 ^ cm si le dispositif à plusieurs régions selon l'invention fonctionne sans couche d'enrichissement. Selon une autre particularité de l'invention, les régions I du 25 dispositif correspondent à des couches doubles de conduction et n; dans ce cas, les parties £ et n des couches doubles ont des concentrations en porteurs 19 3 de charge majoritaires N 30 Tandis que les dispositifs à plusieurs régions l£ à l_f ne bloquent que dans un seul sens, les dispositifs à plusieurs régions 2a_ à 2n bloquent (de manière différente) dans les deux sens. Dans tous ces dispositifs, les travaux de sortie thermiques des surfaces limites Il/l/lï sont diffé rents. Les régions II peuvent également être composées de 2 ou même plusieurs 35 couches. Certains travaux de sortie effectifs des électrons ^ des régions rljil II (versles régions I voisines) sont égaux et les autres inégaux. Des exemples de réalisation des dispositifs des figures la. à lf^ et 2a à 2n sont décrits ci-dessous. Les régions II sont toujours représentées par des hachures. 69 34045 9 2028840 EXEMPLE DE REALISATION la -f -2 Sur une plaque de silicium p monocristalline 1 de 2-10 cm d'épaisseur, les couches monocristallines suivantes sont produites par épitaxie en phase gazeuse (figure la/). -3 5 3.10 cm d'épaisseur : silicium n à 500 cm -2- 2.10 cm d'épaisseur : silicium n+ à 10 S\- cm -3- -4 + -3 2.10 cm d'épaisseur : silicium £ à 10 -f\- cm -k- —3 3.10 cm d'épaisseur : silicium n à 500 -A*. cm -2-etc. 10 Les contacts 5 sur la première et la dernière couche de ce dis positif à plusieurs régions sont établis de manière classique par alliage ou par frittage de contacts métalliques. EXEMPLE DE REALISATION 1b. Sur une plaquette de saphir 1 (figure lb') on réalise une couche + 15 3 15 monocristalline 2 de silicium p avec un dopage au bore de 10 /cm. et d'une -4 épaisseur de 2.10 cm. A l'aide du masque3 enSiO-, on crée d'abord les régions + 20 p 4 par implantation d'ions de bore à une concentration de 2.10 . Puis (par implantation d'ions de phosphore) on forme les régions ri~^ 5, correspondant 21 3 à une concentration de 10 /cm (à l'aide d'un masque approprié). -La largeur 20 des régions I (type p) est de 5.10~^ cm et celle des régions I (type p+n+) de _3 10 cm. On remédie aux défauts de réseau dus au bombardement ionique, par recuit approprié du dispositif. Après fixation des contacts métalliques 6, ce dispositif à plusieurs régions selon l'invention est un redresseur latéral, dans lequel chaque région I admet une tension inverse d'environ 10 V. Avec une 25 succession de 10 paires de régions I, II, ce redresseur correspond à une tension inverse U_ d'environ 100 V, pour une largeur totale de 0,15 mm. R EXEMPLE DE REALISATION le Sur une plaquette de silicium p^" monocristalline 1, avec un do-20 3 page au bore de 5.10 /cm , la succession de couches suivante est déposée par 30 bombardement électronique sous vide poussé (figure le') : -5 17 3 -2- 1.10 cm d'épaisseur : silicium n à 10 atomes drantimoine/cm —6 4" 19 3 -3- 5.10~ cm d'épaisseur : silicium n â 5.10 atomes d'antimoine/cm 6 4* 20 3 -4- 5.10 cm d'épaisseur : silicium p à 5.10 atomes de bore/cm -5 17 3 -5- 1.10 cm d'épaisseur : silicium p à' 10 atomes de bore/cm 35 -3- 5.10~^ cm d'épaisseur : silicium n+ à 5.10^ atomes d'antimoine/cm -4- 5.10~^ cm d'épaisseur : silicium p"** à 5.10^ atomes de bore/cm^ -5 17 3 -2- 1.10 cm d'épaisseur : silicium n à 10 atomes d'antimoine/cm etc. 6 = contacts métalliques. 69 34045 10 2028840 Les épaisseurs des régions I (formées ici par les couches Zet 5) suffisent juste pour absorber les zones de charge d'espace (qui résultent de la tension de diffusion). EXEMPLE DE REALISATION Id 5 Sur une tôle de niobium (Nb) 1 (figure ld'), on dépose par bombardement électronique une couche d'oxyde de niobium 2 de 5.10 ^ cm d'épaisseur. Sur cette couche, on dépose par pulvérisation cathodique une couche de platine 3 de 2.10 ^ cm d'épaisseur, puis une nouvelle couche de niobium 4 de 2.10 cm d'épaisseur et enfin par pulvérisation une couche en platine de 2.10 cm. 10 Finalement l'ensemble est oxydé anodiquement dans un bain d'acide sulfurique à 5% sous une tension Uf telle que la couche de niobium se transforme sur une -7 épaisseur x^ = 6.10 cm en oxyde de niobium -5. (La mince couche de platine 3 ne perturbe pas le processus d'oxydation anodique). On dépose ensuite de nouveau des couches d'oxyde de niobium 2, de platine 3, de niobium 4 et de pla-15 tine 3. L'ensemble est de nouveau oxydé anodiquement dans un bain d'acide sulfurique à 5% sous une tension suffisamment élevée pour que la dernière couche de niobium 4 se transforme en oxyde de niobium 5 sur une épaisseur x^ = 6.10 ^ cm et ainsi de suite. EXEMPLE DE REALISATION le 20 Sur une plaquette d'arséniure de gallium monoçristalline, 1 (figure le1) d'une épaisseur de 0,2 mm et d'une résistivitê de 10"* ohm,cm obtenue par dopage au chrome, on réalise une couche d'arséniure de gallium monocristalline 2, non dopée dans la mesure du possible et d'une épaisseur -4 de 3.10 cm. En technique planar, on diffuse ensuite une couche d'étain de 2o 25 5.10 cm d'épaisseur, avec une concentration superficielle de 10 , à travers les fenêtres de la première couche en nitrure de silicium 3, puis par les fenêtres voisines on diffuse du zinc avec la même concentration superficielle dans la deuxième et la première couches de nitrure de silicium 4. + 4- Grâce à cette diffusion, on crée les régions n 5 et p 6 qui se recouvrent 30 au-dessous des couches de nitrure de silicium ët y forment les jonctions pn 7 (régions I du dispositif). Les régions p^n* qui se recouvrent, sont les régions II du dispositif et représentent un redresseur latéral auquel est appliquée la tension directe raccordée aux contacts métalliques 8. Les jonctions pn émettent la lumière 9. 35 EXEMPLE DE REALISATION lf Sur une plaquette de silicium monocristalline 1 (figure lf') dopée 20 3 par 2.10 atomes de bore/cm et chauffée à 300°C, on évapore la succession de couches suivante. *■ 69 34045 ii 2020840 I.IO-"' cm d'épaisseur : silicium intrinsèque -2- 1.10 ^ cm d'épaisseur : silicium n^" à 2.10^ atomes de phosphore/cm"^ -3- 1.10~^ cm d'épaisseur : silicium jj*" à 2.10^ atomes de bore/cm"^ -4- 1.10~^ cm d'épaisseur : silicium intrinsèque. -2- 5 etc. 3 On a évaporé au total 2.10 régions I (couches intrinsèques). La plaquette de silicium est soudée (du côté libre) sur une plaque métallique 5 et sur la dernière couche n+ on fixe un réseau de 6 fils métalliques, permettant la pénétration verticale de la lumière solaire 7 dans les couches succes-10 sives. EXEMPLE DE REALISATION 2a Sur une plaquette de silicium monocristalline 1 (figure 2a') dopée p+ par 10^ atomes de bore /cm"^, on réalise par épitaxie la succession de couches monocristallines suivante: —6 18 3 15 -2- 4.10~ cm d'épaisseur : silicium n à 9.10 atomes de phosphore/cm -3- 1.10 ^ cm d'épaisseur : silicium j>+ à 10^ atomes de bore/cm —6 18 3 -2- 4.10- cm d'épaisseur : silicium n à 9.10 atomes de phosphore/cm etc. La tension de diffusion et les- zones de charge d'espace résultantes 20 confinent les électrons au milieu des couches de silicium n de manière à former 4 régions II, dans lesquelles la concentration en porteurs de charge mobiles 19 3 est supérieure à 10 /cm . Chaque succession de régions de ce dispositif, formée par les couches p+ et la région 4, admet dans les deux sens une tension inverse d'environ 2V. 3 25 On réalise des successions de 4.10 couches de silicium n. La dernière couche 5 est une couche de silicium n de 1.10 cm d'épaisseur, sur laquelle on applique un réseau 6 en fils d'aluminium laissant passer la lumière 7. La plaquette 1 est reliée électriquement au contact 8. EXEMPLE DE REALISATION 2b 20 30 Sur une plaquette de germanium 1 monocristalline dopée à 10 atomes 3 —2 d'arsenic/cm , de 2.10~ cm d'épaisseur et d'une surface de 20x20 mm (figure 2b) on évapore à une distance de 0,4 mm (à travers un masque métallique), environ -4 2 2500 surfaces de 10 cm constituées de la succession de couches suivante : 1.10 ^ cm d'épaisseur : calcium -2- 35 3.10 cm d'épaisseur : alliage : 3,042 g tellure + 1,126 g arsenic + 0,183 g silicium + 0,3545 g Ge -3- (par évaporation flash) 1.10 ^ cm d'épaisseur : platine -4- 3.10~^ cm d'épaisseur : alliage comme en 3 etc. 69 34045 12 2Ô2Ô84Û 25 successions de couches i/ll sont évaporées. La dernière. couche de platine est recouverte par évaporation d'une couche d'or 5 de -4 1.10 cm d'épaisseur. La plaquette de germanium est ensuite rayée avec un diamant tous les 0,4 cm et cassée de manière à séparer les 2500 dispositifs 5 à plusieurs régions. Le dispositif séparé est allié sur une tôle en kovar dorée et sur la couche d'or est fixéepar thermocômpression une amenée de -3 " • courant en or 8 de 5.ip cm de diamjètre . L'ensemble est ensuite recouvert ' à 300par décharge HF sous vide partiel dans une atmosphère de SiH^ , O d'une couche de nitrure de silicium 6 de 1000Ad'épaisseur. 10 EXEMPLE DE REALISATION 2c Sur une plaquette de verre 1 (figure 2c'), on évapore une couche . -4 de 10 cm de sulfure de plomb 2 de type n. Sur cette couche de sulfure de plomb et à une distance de 5.10~^ cm, on évapore alors deux bandes (de chacune -4 -5 1.10 cm de largeur et 5.10 cm d'épaisseur) alternativement . 15 et' dè nickel 4. On évapore ensuite une couche 5 de ' Si02 5, de manière à ménager des bandes de sulfure de plomb non couvertes par évaporation de métal et sans couche de Si02. Par chauffage dans la vapeur de soufré, les bandes de sulfure de plomb libres sont transformées en sulfure de plomb 6 de type j>. Les régions de sulfure de plomb métallisées par évaporation 20 représentent (dans la direction de la couche de sulfure de plomb) dés domaines de. conduction métallique et sont des régions II "selon l'invention. Àux extrémités du dispositif sont fixés les 'contacts métalliques 7. EXEMPLE DE REALISATION 2d Sur une plaquette de titane 1 (figure 2d') on dépose la succession 25 de couches suivante : 1.10 cm d'épaisseur : bioxyde de titane évaporé thermiquement -2- —6 1.10 cm d'épaisseur : or -3- 1.10 cm d'épaisseur : bioxyde de titane, pulvérisation réactive dans O- -4- —G 30 1.10 cm d'épaisseur : titane -5- 1.10 cm d'épaisseur : bioxyde de titane évaporé thermiquement -2- etc. Les couches de bioxyde de titane 2 et 4 représentent les régions I selon l'invention. 35 EXEMPLE DE REALISATION 2e Sur une plaquette de tungstène poli 1, on évapore les couches suivantes : 69 34045 13 2028840 i.io"7 cm d'épaisseur : oxyde de tungstène -2- 1.10'5 cm d'épaisseur : oxyde de zinc -3- l.lo"7 cm dFépaisseur ; oxyde de césium -4- • 1.10"7 cm d'épaisseur : oxyde de tungstène -2- l.lo-7 cm d'épaisseur r tungstène -5- l.lo"7 cm d'épaisseur : oxyde de tungstène -2- l.lo-5 cm d'épaisseur : sulfure de zinc -6- l.IO"7 cm d'épaisseur ; oxyde de tungstène -2- l.lo"7 cm d'épaisseur : tungstène -5- l.lo"7 cm d'épaisseur •r oxyde de tungstène. -2- etc. Les successions de couches Cs-W£>^-W-WO^ et WO^-W-WÛ^ sont les régions II selon l'invention et les couches ZnQ et ZnS les régions I. EXEMPLE DE REALISATION 2f 15 Sur une plaquette de magnésium 1 (figure 2f *3 on évapore les couches suivantes i i.io"6 cm d'épaisseur ; oxyde de zinc -2- l.IO"6 cm d'épaisseur : phtalocyanine -3- 5.10"7 cm d'épaisseur : or -4- l.IO"6 cm d'épaisseur : oxyde de zinc -2- l.IO"6 cm d'épaisseur : phtalocyanine -3- l.IO"6 cm d'épaisseur r magnésium -5- l.lo"6 cm d'épaisseur : oxyde de zinc -2- etc. 25 Les couehes doubles oxydes de zinc-phtalocyanine sont les régions I du dispositif. EXEMPLE DE REALISATION 2g Sur une plaquette métallique L (figure 2g_')a on évapore les couches suivantes sous vide poussé : 30 l.IO-6 cm d'épaisseur : antimoniure de césium -2- 5,10~& cm d'épaisseur : trioxyde d'antimoine - -3- l,IO~5 cm d'épaisseur : trisulfure d'antimoine -4- 5.10"7 cm d'épaisseur : nickel -5- 1.10~6 cm d'épaisseur : antimoniure de césium -2- 35 etc. Les couches doubles de trioxyde et de trisulfure d'antimoine sont les régions I du dispositif. 69 34045 14 202Ô84Ô EXEMPLE DE REALISATION 2h Sut une plaquette de germanium monocristalline 1 (figure 2hr), 19 3 dopée à 5.10 atomes de phosphore/cm , (de dimensions 20x20mm) et maintenue à une température de 350°C, on évapore sous vide poussé les couches suivantes : S 5.10 6 cm d'épaisseur r germanium intrinsèque -2- —6 20 3 l.IO- cm d'épaisseur : germanium à 10 atomes d'aluminium/cm -3- 5.10 6 cm d'épaisseur : germanium intrinsèque -2- 2.10 cm d'épaisseur : germanium à 5.10^ atomes de phosphore/cm. -4- 2.10 cm d'épaisseur : germanium intrinsèque -2- 10. etc. On évapore ainsi ÎQ5 successions de doubles couches I/II, puis.on 3 recouvre pyrolytiquement le cube obtenu (2x2x1,3 cm ) d'une couche de Si0_ de _5 ' 2.10 cm d'épaisseur. Après recuit de 10 ma à 450°C, on obtient, grâce à la + + faible diffusion du phosphore et de l'aluminium, des couches n et p , c'est-15 à-dire la succession de régions désirées et représentées à la figure 2h. Après le recuit, le cube de germanium est refroidi très lentement. EXEMPLE DE REALISATION 2i Sur une plaquette de silicium monocristalline 1 (figure 21 ') 20 3 dopée au phosphore (1.10 atomes de phosphore/cm ), on évapore sous vide les 20 couches suivantes : 5.10 ^ cm d'épaisseur : silicium n*n à 5.10^ atomes d'antimoine/cm^ avec appauvrissement jusqu'à lO*6 atomes d'antimoine à la fin de chaque évaporation -2- I.IO cm d'épaisseur : silicium £ à 10^6 atomes de bore/cm^ -3- -4 + 25 5.10 cm d'épaisseur r silicium n n comme en? etc. Les couches de silicium u— sont les régions II du dispositif. EXEMPLE DE REALISATION 2j Sur une tôle de nickel 1 (figure 2j_' ), on évapore les couches 30 suivantes sous vide poussé : 2.10 cm d'épaisseur : oxyde de bismuth -2— 2.10-6 cm d'épaisseur r sulfure de bismuth -3- I.IO 6 cm d'épaisseur : nickel -4- 2.10-6 cm d'épaisseur : oxyde de bismuth -2- 35 etc. Les couches oxyde - sulfure de bismuth sont les régions I du dispositif. 69 34045 15 2020840 EXEMPLE-DE REALISATION 2k Sur une tôle de béryllium 1 (figure 2k')., on évapore les couches suivantes sous vide poussé : ... —6 •2;10. cm d'épaisseur : oxyde de zinc -2- 5 1.10 5 cm d'épaisseur : sulfure de zinc . . s . -3- —6 " 1.10~ cm d'épaisseur : or . -4- 46 1.10 cm d'épaisseur : béryllium . -5- 2.10-6 cm d'épaisseur : oxyde de zinc -2- etc. . - • 10 Les couches doubles ZnS-ZnO sont les régions I du dispositif. EXEMPLE DE REALISATION 21 Sur une plaquette de silicium monocristalline 1 (figure 21_ ') dopée 20 3 au bore (5.10 atomes /cm ), on évapore sous vide poussé les couches suivantes: 6 3.10- cm d'épaisseur : sulfure de cadmium -2- 15 1.10-6 cm d'épaisseur : oxyde de cadmium -3- 1.10~6 cm d'épaisseur :' cérium , -4- —6 -f- 2.10 cm d'épaisseur : silicium £ -5- 3.10-6 cm d'épaisseur : sulfure de cadmium t- -2- etc. " 20 Les couches doubles CdO-CdS sont les régions I du dispositif. EXEMPLE DE REALISATION 2m Sur une plaquette métallique 1 (figure 2m') on évapore sous poussé les couches suivantes, : 3.10"6 cm d'épaisseur : chrome -2- 25 I.10"5 cm d'épaisseur : trisulfure d'antimoine -3- 1.10"7 cm d'épaisseur : monoxyde de silicium -4- 3.10-7 cm d'épaisseur : chrome -5- 1.10"6 cm d'épaisseur : yttrium -6- l.IO-5 cm d'épaisseur : trisulfure d'antimoine -3- 30 1.10~7 £. cm d'épaisseur:monoxyde de silicium -4- I.10"6 cm d'épaisseur : yttrium -6- l.lo-5 cm d'épaisseur : trisulfure d'antimoine -2- etc. Les couches doubles monoxyde de silicium-trisulfure d'antimoine sont les régions I du dispositif. EXEMPLE DE REALISATION 2n Sur une plaquette de silicium 1 monocristalline (figure 2n'), dopée 19 3 au bore (1.10 atomes de bore/cm ) et d'un diamètre de 60 mm, on dépose sous 69 34045 16 -2020040 ultravide, par évaporation flash et bombardement électronique, les couches suivantes : 2.10 6 cm d'épaisseur : silicium n à 1.10^ atomes d'antimoine/cm^ -2- 2.10 6 cm d'épaisseur : silicium £ à 1.10^ atomes de bore/cm^ -3- —6 5 2.10 cm d'épaisseur : silicium n comme en 2 etc. Entre les couches £ et n se créent des'zones de charge d'espace qui sont les régions I selon l'invention. Dans la partie médiane des couches n et les porteurs de charge mobiles sont enrichis à cause de la présence de la 10 charge d'espace et les couches d'enrichissement extrêmement minces 4 et 5 sont 6 les régions II du dispositif. On a évaporé 10 successions de couches n Quand on réalise dans les modèles de dispositifs l£ à lf? et 2a à 2n, un champ électrique suffisamment grand, en maintenant assez élevée ou x^ 15 assez petite, les pièges(traps) ou la bande de valence injectent assez d'électrons. dans la bande de conduction pour permettre la conduction du dispositif. En utilisant comme régions I des. couches minces de semiconducteurs amorphes, tels que : sélénium, tellure, germanium, silicium, arsenic, antimoine surfure d'antimoine, etc, on peut même assister à un passage de 1'état amorphe 20 à l'état cristallin avec des champs électriques suffisamment élevés dans ces 4 régions I, dont la conductibilité est ainsi multipliée par 10 . Une impulsion de courant suffisamment importante (température suffisamment élevée) ramène cette région à l'état amorphe. Dans certains cas, si l'épaisseur de la couche x est suffisamment faible ( 30 Le dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'invention n'est pas exclusivement utilisé comme redresseur et commutateur. Son emploi est très intéressant aussi pour la transformation de l'énergie lumineuse et de l'énergie thermique en énergie électrique ou bien inversement pour la transformation de puissance électrique en émission de lumière ou en puissance 35 thermique. Si l'on utilise des dispositifs à plusieurs régions avec une alternance de zones de charge d'espace positive et négative (voir figures 2a^ à 2n) l'excitation par une lumière incidente, perpendiculaire à 5 dans les zones 69 34045 17 2028840 de charge d'espace 2 de la figure âa' par exemple » crée des couples électron-trou qui sont séparés par les zones de charge d'espace. Les tensions photoélectriques produites par cette séparation des porteurs de charge sur les zones de charge d'espace se compensent par couple, mais entraînent une conduc-5 tibilité électrique complémentaire dans le dispositif. Entre la première et la dernière zone de charge d'espace de ce dispositif apparaît une tension photo-électrique non compensée. L'avantage du dispositif sur les éléments photo-électriques normaux réside dans le fait que moins de couples de porteurs sont perdus par recombinaison. 10 Les dispositifs 2a à 2n peuvent également être utilisés comme photorésistance, La figure 2c/ représente une photorésistance sous forme d'un dispositif latéral à plusieurs régions, la lumière tombant perpendiculairement suri. Sous l'influence du rayonnement lumineux, la résistance électrique est modifiée entre les contacts 6. 15 Les éléments photoélectriques conçus comme des dispositifs à plu sieurs régions selon les fiugres la à lf sont particulièrement intéressants» Ils comprennent une suite de zones de charge d'espace de même signe. Les tensions photoélectriques apparaissant sur les zones de charge d'espace ne se compensent pas, mais au contraire s'additionnent. De tels éléments photoélec-20 triques délivrent par suite une tension photoélectrique totale égale à la somme des tensions photoélectriques individuelles. La lumière peut être envoyée perpendiculairement, parallèlement ou sous un angle d'incidence quelconque par rapport au plan des régions I et II. La figure lf' représente un dispositif à plusieurs régions qui 25 sous irradiation, par exemple par la lumière solaire tombant perpendiculairement rés .»3 -f sur la couche supérieure 3 de silicium n , délivre entre le réseau 6 et la plaque métallique 5 une tension photoélectrique U^, plus de 10 fois supérieure à celle d'une pile solaire unique (et avec évidemment une "résistance interne" beaucoup plus élevée). 30 De tels éléments photoélectriques haute tension peuvent également être réalisés par une succession latérale de régions. Dans le cas de la figure 3, on évapore par sublimation sous vide (au-dessous de 700~C) puis on -4 recuit une couche 2 de pb.osphure d'indium de 1,10 cm d'épaisseur sur une plaquette de quartz 1, La couche réalisée de type ns a une concentration en 15 3 35 porteurs de 10 /cm et est grossièrement cristallisée- A une distance de — —4- 2.10 cm, on évapore ensuite sur cette couche des bandes 3 de séléniure de -4 ..5 , cuivre (largeur 10 cm3épaisseur 3.10 cm) et des bandes 4 de séléniure de cadmium (largeur 2.10 "'cm et épaisseur 3.10 5 cm). 69 34045 18 2028840 Les bandes de séléniure de cadmium 4 sont ajustées sur les bandes de séléniure de cuivre 3 de manière à les recouvrir exactement. Le dispositif entier est recouvert d'une couche 5 de SiC^ d'une épaisseur de 4.10 5 cms ne laissant libre que les contacts métalliques 6 aux extrémités. L'élément photo-5 électrique haute tension de la figure 3 a une sensibilité maximale pour une lumière verte 7 sous incidence normale et délivre sur 6 une tension photoélectrique totale IL, proportionnelle au nombre de successions de régions r latérales I/II (phosphure d'indium/phosphure d'indium recouvert de séléniure par évaporation). 10 II est naturellement possible aussi de modifier ou de moduler la résistance -inverse des redresseurs des figures la^ à Lf^ et 2a à 2n grâce à un rayonnement lumineux perpendiculaire, parallèle ou sous incidence quelconque par rapport au plan des couches. Selon l'invention, on réalise de cette manière des éléments de commande actifs pour lesquels on obtient à l'aide 15 d'une modification relativement faible de l'intensité lumineuse incidente, une modification importante du courant inverse du dispositif à plusieurs régions. On obtient ainsi une amplification en puissance, c'est-à-dire un rapport. modification de la puissance électrique 20 ; — > x modification de l'intensité lumineuse L'application d'une tension directe aux dispositifs à plusieurs régions la, à lf produit une émission lumineuse moyennant un choix approprié 25 des régions I de ces dispositifs et par suite de recombinaisons ou de jonctions radiantes. Les couches n ou £ des dispositifs représentés aux figures lji à lf peuvent être en arséniure de gallium pour une émission dans l'infrarouge, arséniure de gallium phosphure pour une émission de lumière rouge à verte, et sulfure de zinc, phosphure de bore, carbure de silicium etc ou des oxydes 3Q "troués".par effet tunnel, tels qu'oxyde de zirconium, bioxyde de titane, etc, pour une émission dans le blanc ou le bleu. L'émission de lumière se faisant principalement dans les régions de charge d'espace, le dispositif à plusieurs régions selon l'invention est particulièrement approprié à la production de sources électro-luminescentes d'intensité élevée, car l'espace intérieur est 35 occupé dans sa plus grande partie par des zones de charge d'espace. En appliquant aux .dispositifs à plusieurs régions des figures 2a à 2ii une tension alternative d'une fréquence suffisamment élevée, pour faire circuler un courant notable, il devient possible de réémettre une partie de 69 34045 19 2028840 la puissance électrique absorbée sfcus forme de lumière, à condition de choisir judicieusement le matériau des régions I. Comme matériau pour les régions I on peut utiliser aussi dans, ce cas les lumiphores et phosphores connus en couches minces. 5 Ce dispositif à plusieurs régions du type latéral selon l'invention est également utilisable pour l'émission de lumière. Quand par exemple on applique aux contacts 7 de la figure le/ une tension directe U suffisamment élevée, les jonctions n-p émettent la lumière connue des photodiodes à l'ar-séniure de gallium. Les avantages du dispositif de la figure le' sont que l'on 10 peut refroidir les jonctions n-p très efficacement et que grâce aux nombreuses jonçtions n-p on atteint une intensité lumineuse plus élevée. Un dispositif à plusieurs régions présente également des avantages s'il.est utilisé en thermocouple ou en élément Peltier, En réalisant les régions I avec des matériaux semiconducteurs n ou £ suffisamment minces pour 15 que le champ très intense créé entre les régions I et II même sans tension exté rieure libère des. porteurs de charge mobiles en provenance des pièges à électrons (traps) ou de la bande de valence, ou que l'effet tunnel crée une conductibilité complémentaire, un courant inverse relativement élevé circule dès l'application d'une tension extérieure extrêmement faible. Cette succession de 20 couches Il/l/II se comporte comme contact thermoélectrique ou Peltier, dont' la tension Peltier maximale Hjj/jr i/jj est égale à la largeur de bande du semiconducteur : _ W (n) U/ (p) _ (10) 1T 11/1,1/11 » M,H M,H 25 Dans les successions de couches Il/I/II sans couche limite d'enri chissement, en cas d'emploi de couches isolantes par exemple, l'épaisseur x^ de la couche isolante doit également être si faible que I'effet tunnel crée une conductibilité électrique dans les deux sens. Ce contact II/l/II se comporte alors également comme un contact 30 thermoélectrique dont la tension Peltier est maximale quand l'épaisseur x^ des ■ couches est telle que le redressement du courant avec la résistance inverse maximale débute avec la conductibilité tunnel complémentaire.; On voit facilement que le facteur de mérite (terme de comparaison avec une machine thermique parfaite pour laquelle A = OÛ R. Dahlberg" Théorie 35 du refroidissement thermoélectrique" Zeitscher fUr angewandte Physik 10 (1958) pages 361-368) d'un thermôcouple réalisé en dispositif selon l'invention. 69 34045 2026840 20 3 peut dépasser 10 , en écrivant la force thermoélectrique différentielle a selon l'équation (10) sous la forme if A- E (12) a = T T 5 et en admettant que la loi de Wiedemann - Franz-Lorenz est valable pour les couches "trouées" par effet tunnel, c'est-à-dire que la constante de lorenz diffère peu de la valeur théorique. La figure 4 représente le dispositif à plusieurs régions selon l'invention fonctionnant en thermocouple pour la conversion du flux thermique 10 1 perpendiculaire aux région I et II en puissance électrique: courant thermoélectrique 1,^ x tension thermoélectrique . La figure 5 représente le dispositif à plusieurs régions en élément Peltier utilisé pour refroidir la plaque de liaison 1 de T à Tq avec le courant Peltier I et la tension U = v. ^~Il/l, i/ll (v étant le nombre de P P 15 régions I dans les branches N et P de l'élément Peltier). Ces dispositifs appellent deux remarques : + + + 4- Premièrement ; les jonctions p nn et n np délivrent les tensions Peltier élevées correspondant à l'équation (10), alors que les jonctions "dégénérées" + •+ 4* + n p et p n ne délivrent que les tensions Peltier normales (relativement 20 faibles)'#' + + (dont l'influence peut pratiquement être négligée)., et n ,p deuxièmement, l'élément Peltier selon l'invention peut être Utilisé sous une tension optimale v fois plus grande que celle d'un élément Peltier normal. Les branches du thermocouple de la figure 4 ou de l'élément Peltier de la figure 5 peuvent être réalisées au choix selon les figures la^ à lf: ou 25 2a à 2n. Différents exemples de réalisation des successions de régionts des branches sont représentés aux figures Id1, lf', 2e/, 2V, 2h.', 2j_' et 21'. De même que les éléments photoélectriques haute tension sous forme de dispositifs représentés aux figures la. à If, on peut réaliser des thermocouples haute tension avec de tels dispositifs. Il est simplement nécessaire 30 que le flux thermique ne circule pas perpendiculairement dans les régions I et II, mais que sa direction forme un angle différent de 90° avec le plan de ces régions. La figure 6 représente un thermocouple haute tension, dans lequel le flux thermique 4 circule parallèlement au plan des régions. Sur une 35 plaquette 1 en aluminium oxydé électrolytiquement on réalise un dispositif correspondant à la figure1 le', perpendiculaire au plan des régions I et II, isolé électriquement mais en bon contact thermique avec la plaquette support. 69 34045 21 2028840 La plaquette en aluminium 1 se trouve à la température T et la surface 2 o du dispositif à la température cette différence de température crée un courant thermoélectrique 4 qui circule dans le dispositif, perpendiculairement au plan des régions. La tension IL. entre les contacts 3 est donnée par : Th e + (13) tU = a (T,-T ) v n ^ i ° en+ + ep + a étant la force thermoélectrique différentielle de l'équation (12), v le nombre de successions de régions I/II et f , ou f* . les résistivités n-f- pT 10 des couches n+ et p+ de la figure 6. Ce dispositif fonctionne en élément Peltier quand on lui applique une tension extérieure. (14) U La figure 7 représente un autre dispositif constituant un thermocouple haute tension. Dans un dispositif selon la figure lf', avec des couches de silicium intrinsèque de 2.10 6cm d'épaisseur seulement et un total de 106 2 couches intrinsèques (la plaquette de silicium de la figure lf1 de 30 x 30 mm donnant alors un cube d'environ 3x3x3 cm)> on découpe des lames sous un 2o angle de 45° (par rapport aux couches). Ces lames sont ensuite rodées et polies chimiquement. On obtient ainsi des tranches 1 (figure 6) de 10 ^ cm d'épaisseur que l'on recouvre d'une couche de quartz épaisse de 2.10 5 cm» sauf sur les contacts 3. Les successions de couches I et II se trouvent ainsi inclinées à 45° par rapport à la surface de la tranche découpée. Le courant 25 thermoélectrique 4 perpendiculaire à la tranche 1 crée entre les contacts 5 une tension thermoélectrique proportionnelle au nombre de successions de couches I/II. De même, un flux lumineux 6 crée une tension photoélectrique de même signe que la tension thermoélectrique ; les dispositifs des figures 6 et 7 sont donc utilisables en thermocouples photoélectriques. De 30 tels thermocouples peuvent être branchés en parallèle, en série ou en série-parallèle; on peut donc ainsi modifier à volonté les tensions et les courants délivrés » On peut également considérer un dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'invention comme une succession de dipôles électriques, 35 dans laquelle tous les dipôles sont orientés dans le même sens sur les jonctions l/Iï ou II/I et pour laquelle la polarité des couches dipolaires est branchée soit en série (figures la à lf) soit en alternance (figures 2a à 2n). On peut donc considérer le dispositif à plusieurs régions(tel que l'exemple de réalisation 2nr) comme un matériau à constante diélectrique élevée, et l'utiliser (par exemple avec le titanate de baryum, le titanate de strontium 69 34045 22 2028340 ou le zirconate de plomb) comme matériau piézoélectrique ou ferroélectrique. Le dispositif à plusieurs régions des figures la à If^ présente par suite du branchement en série de la polarité des couches dipelaires, des propriétés électriques particulières (exemple : dispositifs selon les 5 figures le' ou lf'). Puisqu'un dispositif à plusieurs régions selon l'invention peut être construit avec des matériaux piézoélectriques ou ferroélectriques,il devient également intéressant comme supraconducteur (W. Klose "semiconducteurs supraconducteurs" dans "Problèmes de corps solides VII" pages 1-17, Fr, 10 Vieweg & Fils, 1967). La figure 8 représente un dispositif selon figure la) dans lequel le semiconducteur utilisé est une couche de titanate de strontium 1, de type n 17 3 (par un excédent de titane), à 10 porteurs/cm . L'épaisseur de la couche -15 x^ = 10 cm est si faible que, par suite des travaux thermiques de sortie 15 différents (sur l'interface de la couche de platine 2 et sur celle de la couche d'antimoniure de césium 3), un champ d'environ 10^ V/cm est présent dans la couche et suffit pour rendre le dispositif supraconducteur, moyennant un refroidissement suffisant (au-dessous de la température critique Tc, dans un bain réfrigérant 4). La supraconduction des dispositifs la. à lf et Za_ à 2n 20 selon l'invention peut être utilisée perpendiculairement ou parallèlement au plan des régions I et II. Des supraconducteurs facilement usinables peuvent être réalisés en utilisant selon l'invention des couches très minces semiconductrices organiques ou isolantes pour la région I. 25 Enutilisant les dispositifs à plusieurs régions comme redresseurs, commutateur, élément photoélectrique, photorésistance, thermocouple, élément Peltier,-matériau piézoélectrique, ferroélectrique ou supraconducteur, en présence d'un champ magnétique parallèle ou perpendiculaire au plan des ré4 gionSj on peut réaliser des éléments de commande actifs, particulièrement 30 sensibles au-dessous de 300°K. A la figure 8,si à l'aide d'un champ magnétique 5 on abaisse la température critique Tc du supraconducteur de la quantité AI» on peut réaliser des éléments actifs à très grande pente. La figure 9 représente un supraconducteur, constitué selon la figure 2d' et utilisé parallèlement aux régions I et II. (1 : couche de titane, 35 2 ; couche de TiÛ2 évaporée} 3 : couche d'or et 4 : couche de Tio^ pulvérisée). Les contacts électriques 5 en or sont fixés perpendiculairement aux régions. Le bain réfrigérant 6 permet de travailler au-dessous de la température critique et le champ magnétique est désigné par 7. 69 34045 23 2023040 REVENDICATIONS 1 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions comprenant une succession de 2 régions à résistivitê différente et/caractérisé en ce que la région I est constituée par un matériau semiconducteur ou isolant ayant une concentration en porteurs de charge mobiles N ^lO^/cm^ et la région II 5 prar un matériau métallique ou semiconducteur dopé de manière importante et >19 3 10 /cm j les interfaces II/I/II ont des travaux de sortie thermiques différents des électrons -3 vers la région I et l'épaisseur de chaque région est inférieure à 5.10 cm. 2 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon la reven- 10 dication 1, caractérisé par des travaux de sortie thermiques égaux aux électrons sur les interfaces I/II/I. 3 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon la revendication 1, caractérisé par des travaux de sortie thermiques différents des électrons sur les interfaces. 15 4 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon les reven dications 1 et 3j caractérisé en ce que les travaux de sortie thermiques différents des électrons sur les interfaces i/ll/l résultent de la réalisation des régions I en matériau semiconducteur de types n et p. 5 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon les reven- 20 dications 1 et 3, caractérisé en ce que les travaux de sortie thermiques différents des électrons sur les interfaces i/ll/l résultent de la réalisation des régions I sous forme de couches doubles à jonctions np et/ou pn. 6 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que les travaux de sortie thermiques différents des 25 électrons sur les interfaces I/ll/l résultent de la réalisation des régions II sous forme de couches doubles ou multiples. 7 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon une des revendications 1 à 6, caractérisé par une superposition des régions I et II, de -3 façon que chaque région ait une dimension plus petite que 5.10 cm. 30 8 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon une des reven dications 1 à 6j caractérisé par la juxtaposition de régions I ët II dont ■=3 ' chacune a deux dimensions plus petites que 5.10 cm. 9 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon lline des revendications précédentes» caractérisé par l'emploi pour la région I de semi- 35 conducteurs intrinsèques ou de composés intermétalliques de type n ou p, mi- 69 34045 24 202SÔ40 néraux, cristallins ou amorphes, tels que silicium, germanium, tellure, sélénium, arsenic amorphe ou antimoine amorphe, composés A111!7-, A1^1, .IILVI -A B ,etc. 10 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une 5 des revendications précédentes, caractérisé par l'utilisation pour la région I de semiconducteurs organiques, tels que cyanine, thiazine, phénazine, pina-cryptol, triphénylméthane, etc. 11 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par l'utilisation pour la région I 10 d'isolants organiques ou minéraux tels qu'oxydes, halogénures ou époxydes, hydrocarbures saturés, etc, 12 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé par des régions I si minces qu'elles ont une conductibilité électrique complémentaire due à un effet dé champ 15 et/ou à un effet tunnel. 13 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précécentes, caractérisé par l'utilisation pour la région II de semiconducteurs à dopage élevé, d'alliages conducteurs ou de métaux, 20 14 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon la revendication 13, caractérisé par l'utilisation de semiconducteurs n+ et p+, de couples d'alliages conducteurs ou de couples de métaux à travail de sortie sous vide très différent. 15 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon les 25 revendications 13 et 14, caractérisé en ce que les travaux de sortie thermiques sur les interfaces des régions II sont produits par effet tunnel à l'aide de couches étrangères d'une épaisseur inférieure à T. 10 cm, que pour les faibles travaux de sortie sous vide, on utilise par exemple des mélanges d'oxydes alcalins ou alcalinoterreux (césium-oxyde de tungstène, 30 césium-oxyde d'argent, baryum-oxyde de strontium, etc.) et que pour les grands travaux de sortie sous vide, on utilise des couches étrangères d'oxyde de magnésium, d'oxyde de tungstène, etc.). 16 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les régions I et II 35 sont réalisées de manière connue, par évaporation thermique sous vide poussé ou dans l'ultravide, pulvérisation réactive, pulvérisation cathodique haute fréquence, bombardement ionique, par voie chimique, électrochimique,,, pyro-lytique ou mécanique, par exemple par superposition de films et compression 69 34045 25 202834Ô ou laminage» par pu&érisation à la flamme, par exemple par faisceau de plasma ou par une combinaison de ces différentes méthodes. 17 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par son utilisation en redresseur 5 ou en diode. 18 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par son utilisation en commutateur électronique. 19 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une 1Q des revendications précédentes, caractérisé par son utilisation en élément de mémoire électronique. 20 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par son utilisation en diode ou commutateur commandé par faisceau lumineux. 15 21 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes» caractérisé par son utilisation en diode . ou commutateur commandé par champ magnétique. 22 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes» caractérisé par son utilisation en élément 20 photoélectrique détecteur de rayonnement électromagnétique ou ionisant» ou en pile solaire. 23 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes» caractérisé par son utilisation en élément photoélectrique haute tension ou pile solaire haute tension. 25 24 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par son utilisation en résistance électrique photosensible ou commandée par la lumière. 25 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par son utilisation en résis-- 30 tance électrique sensible au champ magnétique ou commandée par champ magnétique. 26 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes» caractérisé par son utilisation en thermo-couple normal ou haute tension pour la mesure ou la transformation d'énergie. 35 27 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par son utilisation en élément Peltier normal ou haute tension pour le refroidissement ou le chauffage réversible. 69 34045 26 2028840 28 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par son utilisation en résistance électrique thermosensible, en bolomètre à rayonnement, par exemple. 29 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une 5 des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est traversé par un flux lumineux ou thermique perpendiculairement ou parallèlement au plan des régions I ou II. 30 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par un angle d'incidence du 10 flux lumineux ou thermique différent de 0° et de 90°. 31 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une dés revendications 22 à 29, caractérisé par le branchement en série et/ou en parallèle de plusieurs dispositifs à plusieurs régions, parcourus par un flux thermique et/ou un flux lumineux. 15 32 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par son utilisation en matériau piézoélectrique ou ferroélectrique, 33 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par son utilisation en supra- 20 conducteur, 34 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par l'action d'un champ magné- -5. tique perpendiculaire ou parallèle aux régions. 35 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une 25 des revendications précédentes, caractérisé par un refroidissement au-dessous de la température ambiante. 36 - Dispositif semiconducteur à plusieurs régions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par son utilisation en composant dans un circuit intégré.