Brevet FR2026736A1 — publié le 19700918

La présente invention se rapporte à un dispositif à semiconducteur à résistance négative destiné à être utilisé dans un oscillateur, un amplificateur ou un commutateur électronique. ; On connait déjà un dispositif à résistance négative com-5 prenant une diode semiconductrice du type PIPININ. Le symbole "I" indique une zone de conductivité relativement plus faible, habituellement d?au moins une puissance de 10, que celle des zones adjacentes, Toutefois, par suite du fait qu'un tel dispositif est ca~ ractérisé à tout moment par un champ électrique relativement élevé 10 dans la région de déplacement, le rendement qui peut être obtenu est relativement faible, habituellement entre. 10 et 20 pour cent. Etant donné le fait que les diodes à résistance négative ont une gamme d'application étendue dans les amplificateurs-, oscillateurs et dispositifs paramétriques, il importe d'avoir une dio-15 de à résistance négative qui présente un rendement sensiblement plus élevé que celles de la technique antérieure. La présente invention procure un dispositif à semiconducteur à résistance négative comprenant un dispositif semiconducteur ayant une structure de type PINIPIN, Une telle structure 20 assure le rendement supérieur voulu. Une diode semiconductrice à structure PINIPIN peut fonctionner comme dispositif à avalanche à résistance négative. Typi~ quement, les zones extérieures P et N ont une résistivité inférieure à celle de n'importe quelle zone intermédiaire P ou N, 25 d'une puissance de 10 au moins. Pour cette raison, la structure de la diode selon l'invention peut être symbolisée par P+INIPIN+, où + + P ou N indique une zone ayant une résistivité inférieure d'au moins une puissance de dix à celle d'une zone de type P ou N respectivement. De plus, les zones I sont intrinsèques ou semi°intrin~ 30 sèques, ayant une résistivité qui est supérieure d'au moins une puissance de 10 à celle d'une zone de type P ou N. Dans une forme de réalisation de l'invention, une diode P+INIPIN+ est soumise à une tension de polarisation inverse appliquée entre les zones extérieures, c'est-à-dire les zones P+ et N+. 35 A mesure que.la tension de polarisation augmente, des avalanches N sont produites dans les deux zones I intermédiaires immédiatement adjacentes aux zones extérieures. Par suite du champ électrique produit dans la diode par la tension de polarisation, les électrons créés par avalanche dans une de ces zones I et les trous créés dans l'autre sont propagés vers la zone I centrale à travers 69 44262 2 2026736 laquelle se déplacent à la fois les électrons et les trous» Toutefois, par suite des propriétés d'avalanche dans les semiconducteurs et 29 effet des zones N et P intermédiaires sur la variation du champ électrique, à mesure que la tension de polarisation 5 inverse appliquée entre les zones intermédiaires augmente lentement pour créer l'avalanche, le courant total croît rapidement tandis que le champ électrique dans la zone centrale diminue. La chute de tension sur. la zone centrale diminue donc également et uneré- . sistance différentielle négative nette en résulte. La perte de . 10 puissance est dès lors réduite et l'on obtient une résistance négative à rendement élevé du point de vue puissance de sortie, L'invention sera décrite plus en détails en se référant aux dessins joints dans lesquels: - la figure 1 est un schéma contenant une diode semicon- + + 15. ductrice de structure P INIPIN selon un .aspect de l'invention; /• - la figure 2 est un diagramme montrant l'intensité du champ électrique en fonction de la distance dans la diode représentée sur-la figure 1, juste avant la rupture par avalanche; - la figure 3 est un diagramme montrant l'intensité du 20 champ électrique en fonction de la distance dans la diode représentée sur la figure 1, juste après la rupture par avalanche; - la figure 4 est un schéma contenant un semiconducteur de structure P INIHEN selon un autre aspect de l'invention^ Il est entendu que les diodes 10et 40 ne sont pas dessi-25 nées à 1'échelle, les largeurs des diverses zones ayant été fortement exagérées suivant la direction x afin de rendre les dessins plus clairs. La figure 1 représente une diode semiconductrice 10 de structure P INIPIN constituée d'un cristal de silicium, formée ty-30 piquement par un procédé de croissance par épitaxie bien connu. Par suite du dopage en impuretés, les deux zones extérieures 15 et 16 ont avantageusement une -résistivité inférieure à celle des zones intermédiaires. Par conséquent, la structure de la diode 10 est représentée par le symbole P+INIPIN+. Sur cette figure, les indices 35 numériques qui affectent la désignation des zones de conductivité de la diode 10 n'ont pour but que d'identifier ces zones lorsqu'on se reportera aux figures 2 et 3. Les contacts terminaux de la diode 10 sont réalisés par les électrodes ohmiques 11 et 12. La diode 10 est connectée électriquement au restant du circuit par l'intermédiaire de ces électro 69 44262 3 2026736 des 11 et 12. Le restant du circuit; comprend la batterie 13 et la résistance de charge variable 1^.. Les pôles de la batterie 13 sont agencés en sorte de fournir une tension négative1à la zone 15 et une tension positive à la zone 16. Une polarisation inverse est 5 ainsi appliquée entre les zones 15 et 16. La concentration nette en impuretés dans les zones 15 et l6 est habituellement suffisamment grande pour conférer à ces zones une résistivité très faible comparée a celle des zones 17 à 2.1. Par exemple, une concentration 20 3 dTau moins 10 atomes d'impureté" par cnr est une valeur typique 10 pour les zones 15 et 16 tandis qu'une concentration de l'ordre de 10 atomes d'impureté par cm-^ est une valeur typique pour les zones intermédiaires 20 et 21. Il est bien entendu que les impuretés donneuses d'électrons prédominent dans les zones 16 et 20, de type N, tandis que les impuretés accepteuses d'électrons prédominent 15 dans les zones 15 et 21, de type P. A mesure que' la tension de la batterie 13 augmente à partir de zéro, la composante x du champ électrique augmente d'une façon générale dans la diode 10 jusqu'à ce que la variation du champ électrique atteigne la configuration représentée par la cour-20 be 20 sur la figure 2, juste avant que ne se produise une rupture par avalanche. Comme on le voit sur la figure 2, le champ électrique dans les zones I intermédiaires 17 et 18 est légèrement inférieur à la valeur Eg , le champ de rupture. A mesure que la tension de la batterie 13 augmente davantage, la rupture par avalan-25 che se produit dans les zones intermédiaires 17 et 18, et la va-riation de champ électrique, représentée par la courbe 30 sur la figure 3;Se trouve établie- dans la diode 10. Il est entendu que les figures 2 et 3 représentent des courbes idéales, étant supposé que les mobilités des électrons et des trous sont égales (notamment 30 sur la figure 3), et que la partie gauche de la diode 10 est l'image spéculaire de la partie droite en se sens que le semiconducteur de type P et le semiconducteur de type N sont mutuellement des images spéculaires l'un de l'autre. Ainsi qu'il est bien connu de l'homme de l'art, les va-3 5 riations de champ électrique représentées sur les figures 2 et 3 sont déterminées par l'équation de Poisson: div (t E) = Q; (1) dans laquelle Q est la densité de charge. Il est également bien connu que Q contient à la fois la charge d'espace due au. mouvement des porteurs de 'charges libres ainsi que la charge d'espace due COPY l v 44262 4 2026736 à 1"ionisation des atomes d'impureté fixés Ainsi, la dersité de charge Q détermine complètement la pente du champ électrique dans les cas unidimensionnels impliquant une constante diélectrique^ uniforme. La densité de charge d'espace en un point, due à l'ioni-5 sation d'atomes fixés, est à son tour une fonction de la concentra tion nette en impureté, (dopage), Les paramètres peuvent donc être sélectionnés en fonction des largeurs suivant la direction x et en fonction des concentrations de dopage des diverses zones 15 à 21 afin de réaliser une variation prédéterminée quelconque du champ 10 électrique (au moins avant que ne se produise la rupture par ava~ lanche). Afin de comprendre le phénomène d'où résulte la résistan ce négative de la diode 10, il faut d'abord se rappeler que la sur face sous la courbe 20 est égale à la chute de tension sur la dio-15 de 10 juste avant l'avalanche, tandis que* la surface sous la courbe 30 représente la chute de tension sur la diode 10 juste après l'avalanche. La résistance négative de la diode 10 peut donc être attribuée au fait que la surface sous la courbe 20 est beaucoup plus grande que la surface sous la courbe 30} tandis que le cou-20 rant avant l'avanche est beaucoup plus petit que le courant durant le phénomène d'avalanche. Les condidérationa qui suivent vont permettre d'appré-• cier 1'amplitude relativement grande de la chute de tension qui se produit avant la rupture par avalanche par rapport à celle qui 25 se produit durant le phénomène d'avalanche. Durant le phénomène d'avalanche, comme le montre la figure 3> la "valeur maximale E^^ du champ électrique dans les zones "I" intermédiaires 17 et 18 n'est que légèrement supérieure au champ de rupture Eg.La raison pour laquellé la valeur n'esfc pas beaucoup plus grande que 30 Eg est que le facteur de multiplication dans le silicium pour le phénomène d'avalanche est fortement non linéaire. Dès lors,des accroissements importants du courant d'avalanchr proviennent d y accroissements relativement petits du champ électrique au-delà de la valeur Eg. 35 Durant l'avalanche le champ électrique se règle lui-même à la valeur Eç au droit des surfaces de séparation entre les z 69 44262 5 2026736 durant l'avalanche est avantageusement réglé à une valeur qui n'est que légèrement supérieure au champ, électrique de saturation E.a, afin de réduire à un minimum la chute de tension durant 1'avalanche. Ce réglage est obtenu en sélectionnant d'une manière appro-5 priée la largeur et le dopage des zones.N et P intermédiaires, 20 et 21. Par'bhamp électrique de saturation" on entend la valeur "du champ électrique au-dessus de laquelle la vitesse des porteurs de charges n'augmente pas de façon considérable lorsque croît l'intensité du champ électrique. 10 Dans les zones N et P intermédiaires, 20 et 21 respecti vement, par suite de l'ionisation des atomes d'impureté x, il y a une pente raide du champ électrique; de la sorte, le champ électrique dans la zone centrale 19 a une valeur sensiblement inférieure à celle qu'il aurait en l'absence de ces zones intermédiai0» • 15 re 20 et 21. La présence des zones 20 et 21 augmente donc le rapport de la surface sous la courbe 20 à la surface serus la courbe 30 par rapport à ce que ce rapport serait en l'absence de ces zones intermédiaires 20 et 21. Le rendement de la diode 10 est donc fortement accru par rapport à celui des diodes PIN ordinaires. En 20 effet, en accroissant la valeur de la zone I centrale 19 jusqu'à une valeur arbitrairement élevée, on .peut obtenir des rendements arbitrairement élevés. Toutefois, il faut savoir que le temps de transport des porteurs à travers la diode 10 croît également lorsque croît la largeur de la zone I centrale 19. Ainsi, bien que 25 l'on puisse obtenir ainsi des rendements arbitrairement élevés en augmentant la largeur de la zone I centrale 19', de tels rendements provoquent un abaissement de la fréquence de coupure supérieure de la diode 10 lorsque celle-ci est utilisée avec des sources de courant alternatif (non représentées). D'une manière similaire, on 30 peut obtenir des rendements plus élevés en abaissant la valeur du champ électrique dans la zone I centrale 19, mais ceci se fait aux dépends de la vitesse de dérive des porteurs et il en résulte par conséquent également une fréquence de coupure plus basse. Une valeur typique de la largeur de la zone I centrale 35 est comprise dans la gamme s'étendant de 5 à 100 microns ou davantage, tandis que des valeurs typiques pour 3e s largeurs des zones intermédiaires sont comprises dans la gamme de 1 à 5 microns. Les largeurs des zones N et P intermédiaires sont avantageusement choisies plus petites que les largeurs des zones I intermédiaires adjacentes respectivement. Ces largeurs des zones 20 et 21 sont 44262 6 2026736 choisies selon les critères que l'on va établir dans les paragraphes suivants. De l'examen de la courbe 30 il ressort que, conformément à lTéquation de Poisson ( 1 ), le produit mathématique delà largeur 5 de la zone N 20 et de la concentration nette d'impureté dans cette zone est avantageusement inférieur à = ^a même rela tion reste vraie pour la zone P 20 par rapport à la concentration nette d'impureté dans cette zone.- Ainsi, chacune des largeurs des zones 20 et 21, ainsi que .fc(Eç~Eg)} détermine la concentration 10 d'impuretés souhaitable dans chacune de ces zones. Ainsi qu'ail est décrit dans la littérature spécialisée, les diodes à résistance négative en général et partant, également la diode 10 selon l'invention, peuvent être incorporées dans des structures de guidesd'ondes afin de fonctionner en oscillateur, 15 en amplificateur ou en dispositif paramétrique, La figure 4 illustre une forme modifiée d'un corps semi-conducteur 40 de structure P INIPIN , selon un autre aspect de 1'invention, pouvant convenir pour être utiliséedans un commutateur électronique. Lë corps de silicium 40 est identique à tous 20 égards au corps 10 de l'exemple précédent, sauf que les zones 20 et 21 dans la diode 10 sont divisées respectivement en zones 20A, 20B et 21A, 21B dans le semiconducteur 40. Les zones 20A et 21A ont la même concentration nette d'impureté que les zones 20 et 21 respectivement, mais les zones 20B et 21B ont des concentrations 25 nettes d'impureté beaucoup plus élevées,"typiquement plus élevées au point qu'elles présentent une résistivité très basse comparée aux autres zones. Les zones 20B et 21B servent de zonester-minales pour la connexior ohmique des conducteurs extérieurs au restant du circuit, comme le montre la figure 4. 30 La batterie 43 et la résistance de charge variable 44 sont ajustées initialement à une valeur telle que le champ électrique de polarisation dans le semiconducteur 40 soit situé juste en-deçà.de la valeur pour laquelle se produit la rupture par ava-lanche lorsque les commutateurs 45 et 46 sont ouverts. Les commu*» 35 tateurs 45 et 46 sont eux-mêmes typiquement des commutateurs du type électronique tels que des dispositifs ou circuits de commutation à transistors bien connus. D'autre part, les batteries 41 et 42 sont réglées en sorte que, d'après le fonctionnement particulier souhaité, lorsque l'un ou l'autre ou les deux des commutateurs 45 et 46 sont fermés (avantageusement mais non nécessairement simul 44262 7 2026736 tanément), il se produise une rupture par avalanche dans l'une ou l'autre ou dans les deux diodes PIN dans le corps semiconducteur 40, c'est-à-dire dans la diode PIN formée par les zones 15, 17 et 20A et dans la diode formée dans les zones 21B,18 et 16. Cette 5 avalanche s'étend rapidement et se propage vers le bas suivant la direction £ comme indiqué sur la gauche de la figure 4; il se produit ainsi dans la résistance de charge 44 un courant élevé comme on le désire dans un commutateur électronique. Il est entendu que la puissance dissipée dans le commutateur 45 et 46 est beaucoup 10 plus faible que la puissance dissipée dans la charge 44 de telle sorte que l'on obtient un rendement élevé. Bien que l'invention ait été décrite sur un exemple de structure réalisé au moyen de silicium, d'autres semiconducteurs peuvent être utilisés pour-réaliser la structure voulue, comme par 15 exemple du germanium ou de l'arséniure de gallium. Le semiconducteur doit avoir avantageusement un facteur de multiplication par avalanche fortement non linéaire de telle sorte que de petites variations du champ électrique puissent produire- des variations de courant relativement grandes juste avant l'avalanche par rap-20 port à celles qui se produisent pendant l'avalanche. 69 44262 8 2026736 REVENDICATIONS. 1.=» Dispositif à serai conducteur à résistance négative , caractérisé en ce qu'il comporte un élément de semiconducteur ayant une structure du type PINIPIN* 5 2." Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des électrodes (11, 12} connectées à chacune des zones extérieures (15, 16) de la structure. 3." Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (13) pour appliquer une tension de po- 10 larisatlon inverse à l'élément de semiconducteur par l'intermédiaire des électrodes. 4.*= Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de semiconducteur consiste essentiellement en silicium. 15 5.= Dispositif selon la revendication k, caractérisé eh . ce que la largeur de la zone I centrale (19) est comprise entre 5 et 100 microns, en ce que les largeurs des autres zones I intermédiaires (17, 18) sont comprises entre 1 et 5 microns, et en ce que les largeurs des zones P et N intermédiaires (21, 20) sont 20 inférieures aux largeurs de l'une ou l'autre des zones"I intermédiaires. 6.~ Dispositif selon la revendication 4* caractérisé en ce que la concentration nette d'impureté donneuse d'électrons 1A dans la zone N intermédiaire (20) est de l'ordre de 10 atomes 25 par cnr et en ce que la concentration nette d'impureté accepteuse d'électrons dans la zone P intermédiaire (21) est de l'ordre de *î 6 3 10 atomes par cm . 7.- Dispositif de commutation à semiconducteur comportant le dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il 30 comprend des moyens conducteurs d'électricité (20B) pour connecter la zone N intermédiaire en série avec la zone extérieure de type P de la structure par l'intermédiaire d'un commutateur (45) et d'une source de tension (41). 35 8.- Dispositif de commutation à semiconducteur compre nant le dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens conducteurs d'électricité (21B) pour connecter la zone P intermédiaire en série avec3a zone extérieure de type N de la structure par l'intermédiaire d'un commutateur (48) et d'une source de tension.