Brevet FR2034732A1 — publié le 19701211

La présente invention se rapporte au montage de circuit à semiconducteurs comportant un matériau semiconducteur engendrant des effets dtinstabilité à champ élevé. La présente invention constitue des perfectionnements et des variantes au brevet français N 1 459 688 déposé le 10 octobre 1966 par la société "INTERNA TIONAL STANDARD ElECTRIC CORPORATION". Dans ce brevet, il a été indiqué que si un cristal dé certains matériaux semiconducteurs est soumis à un champ électrique continu stationnaire, supérieur à une valeur critique, le courant résultant traversant le matériau contient une composante oscillatoire de fréquence, détermine par la durée de transit d tune distribution de charge d'espace entre les zones de contact du cristal.Ce phéno- mène, qui se produit à des températures ordinaires, ne nécessite pas l'application d'un champ magnétique, et n'apparat pas pour impliquer une ,symétrie ou un dopage d'échantillon particulier résultant du transfert des électrons par le champ électrique entre une sous-bande à haute mobilité de masse efficace faible et une sous-bande à us faible mobilité et à masse efficace pluo levée. La caracleristique resultante du courant5 en fonction fa champ appliqué, présente une région de conductivité différentielle négative. Si le dispositif est polarisé dans la région de conductance négative, des régions ou domaines à champ élevé, relativement étroits et bien définis,sont formés successivement et se déplacent à travers le matériau de la cathode vers l'anode, chacun.correspon- dant à un cycle d'une composante de courant oscillatoire. On a maintenant trouvé qu'un cristal de certains matériaux semiconducteurs, formés sous des conditions appropriées de pression et/ou de température, tel qu'un diamant déformé triangulairement ou tétragonalement, ou bien un réseau maillé de blende de zinc, ou bien un réseau maillé orthorhombique ou de chalcopyrite, est produit et engendre également ce phénomène de transit de domaines quand il est soumis à un champ électrique à courant continu stationnaire, excédant une valeur critique. La valeur du champ appliqué au-dessous de laquelle l'auto-oscillation spontanée ne se produit pas est appelée la valeur du seuil d'instabilité La présente invention a pour objet de proposer un dispositif engendrant un phénomène de transit de domaines qui présente un rendement fonctionnel amélioré. Selon un aspect large de la présente invention, le montage de circuit semiconducteur est caractérisé en ce qu'il comporte - un corps de matériau semiconducteur présentant un diamant déformé triangulairement ou tétragonalement, ou bien un réseau maillé de blende de zinc, ou bien une structure en réseau maillé orthorhombique ou de chalcopyrite, le corps engendrant des effets d'instabilité à champ élevé - une source de courant, montée pour engendrer un champ électrique à l'intérieur du corps, entre des zones de contact espacées ;; - un circuit d'entrée modifiant le nhamp électrique, en réponse au signal d'en trée, la valeur du champ, à 1 intérieur du corps étant normalement partout inférieure à la. valeur du seuil d'instabilité et augmentant, en réponse à un signal d'entrée, vers une valcur supérieure à la valeur du seuil d'instabilité, au moins localement à l'intérieur du corps pendant une durée plus courte que la durée de transit d'instabilité, entre les zones de contact espacées, afin d'amener le courant délivré par la source de courant. qui traverse le corps, à subir une simple excursion à partir de sa valeur de régime permanent. Afin d'obtenir l'exemple de fonctionnement par une seule impulsion, défini dans le paragraphe précédent, la valeur d'origine permanente du champ appliqué doit être supérieure à une valeur de seuil plus faible, c'est-à-dire au champ correspondant au minimum de la vallée de la courbe caractéristique du champ électrique, en fonction du courant pour le mécanisme électronique de base du phénomène de transit de domaines. Le champ du régime permanent peut être appliqué de manière continue ou bien peut être pulsé pour réduire la dissipation totale de puissance dans le dispositif. L'augmentation momentané du champ appliqué par un signal d'entrée à un niveau supérieur à la valeur du seuil d'instabilité, peut être obtenue en augmentant momentanément la différence de potentiel entre les deux zones de contact du dispositif. L'impédance d'entrée relativement faible que le dispositif présente, quand il est utilisé de cette manière, et le manque d'isolement entre les bornes d'entrée et de sortie, peuvent dans certaines circonstances être indésirables. En conséquence, selon une autre caractéristique de l'invention, une zone de contact supplémentaire djacente est prévu@ , , mais (de préférence) isolée de la surface du corps semiconducteur, un potentiel de commande étant appliqué à la zone de contact supplémentaire pour engendrer, dans le corps, une couche de banage de profondeur réglée par le potentiel ; à la suite dc quoi une variation dans le potentiel de commande amène la couche de barrage à réduire la section transversale du trajet de courant effectif à travers le corps sur au moins une partie de sa longueur, l'augmentation résultant des résistances du trajet de courant amenant le champ électrique à l'intérieur du corps,. à dépasser au moins localement la valeur du seuil d'instabilité.L'autre zone de contact entendre ainsi une borne d'en -é- à impédance élevée pour le dispositif Le corps cie matériau semiconducteur présente, de préférence, un étran glement adjacent à la zone de contact supplémentaire, afin de réduire sa section transversale dans la direction d'écoulement du courant en ce point et, ainsi, accroître l'effet de réglage de la profondeur variable de la couche de barrage. Le corps de matériau semiconducteur comportant un diamant déformé triangu- lairement ou tétragonalement, ou bien un @éscau maillé de blende de zinc, ou bien un réseau maillé orthorhombique ou en chalcopyrite, peut prendre la forme d'un cristal de matériau semiconducteur , ou bien celle d'un film mince de matériau semiconducteur supporté par un substrat approprié On peut voir qu'un montage de circuit selon 1' invention, ménage un amplificateur de signaux d'entrée, capable d'être commandé par un train d'impulsions d'entrée pour convertir la puissance d ' une source de couvant unidirectionnel, n un train correspondant d'impulsions dc sortie. L puissance d'impulsion d'en- triée peut être faible tandis que le niveau de puissance moyen du train d'impul- sions de sortie peut entre do plusieurs watts.Etant donné que le fonctionnement du montage est indépendant de la fréquence de répétition des impulsions, pourvu que celle-ci soit inférieure à la fréquence d'auto-oscillation, le montage mé- nage un amplificateur d'impulsions apériodique capable de fonctionner dans une grande gamme de fréquences de répétition d'impulsions, la fréquence maximale étant directement fonction de la longueur du cristal. Selon une autre caractéristique de l'invention, le montage de circuit oui vient d'être explicité précedemment d'une manière générale. forme un amplificateur pour un signal d'entrée oscillatoire à fréquence variable qui amène le champ électrique situé à l'intérieur du corps semiconducteur à excéder la valeur du seuil d'instabilité au cours d'une partie de chaque cycle du signal d'entrée, la sortie du montage de circuit étant un signal répétitif, non sinusoïdal, transportant la modulation de fréquence du signal d'entrée oscillatoire. Le montage peut être combiné avec un oscillateur à faible puissance, capable d'être modulé en fréquence par un signal d'entrée afin d'engendrer un simple montage émetteur pour une liaison de communication.Un montage semblable peut être utilisé à l'extrémi- té de réception de la liaison. D'autres caractéristiques de l'invention @essortirot de la description détaillée ci-dessous. @ien entendu la description et le dessin ne sont donnés qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures 1 et 2 représentent, schématiquement deux exemples de réalisation @émetteur pour une liaison de communication, selon l'invention. Pes matériaux semiconducteurs ayant le même @'@eau m@ill qu@ l@ diamant ou/la blende de zinc, présentent des minima de bandes de conduction décentrées dans les directions cristall@graphiques (111) et (100). ainsi qu'un minimum central (000) Les minima décentrés sont @es @lll@soïdes de @évelution à @ouch @ 4 (111) et 3 (100) dégén@@@es @e rapport @@ ma@se efficace pour du germanium (Ce) dans les ellipsoïdes (111) est 1@ En pressant @niaxialement le germanium le long de la direction (111), c'est-à-dire en pr@@@quant une @éformation triangulaire "l'appauvrissement" de ces vallées peut être éliminé, et en faisant passer un courant unidirectionnel le long de l'axe (112) du cristal, par. exemple tel qu'il donne naissance à un champ électrique supérieur à la valeur du seuil d'ins- tabilité, le phénomène de transit de domaines est engendré. Ce principe peut être ter de l'arséniure de gallium (GaAs) quand l'effort appliqué le long de la direction (100) donne naissance à une déformation tétragonale et divise les bandes de faible mobilité de telle sorte que les électrons sont transférés aux états (100) dans la direction de la masse Une telle application améliore le rendement d'un dispositif de transit de domaines à l'arséniure de gallium Un cristal de semiconducteur , auquel on applique en permanence un effort mécanique, n'est pas souhaitable étant donné que les effets de température et de vieillissement sont susceptibles d'être permanents.Ce problème est surmonté si les cristaux de semiconducteurs sont formés sous des conditions de pression et/ou de température; qui sont telles que le diamant déformé, triangulairement ou tétragonalement, ou bien le réseau maillé de blende de zinc, ou bien le réseau maillé orthorhombique ou en chalcopyrite est produit . Ces conditions de température requises pour la formation du cristal ci-dessus, sont de l'ordre de 5000C à 1 7000C. Pour les composants d groupe II, IST et V2 présentant une structure maillée déformée de blende de zinc, le dispositif peut être formé à la pression atmosphérique. Toutefois, quand les dispositifs produits présentent une structure tétragonale, par exemple comme le germanium, les dispositifs sont for més sous une pression de l'ordre de 100 Kb. Les composés ternaires II, IVa V2 présentent la propriété que les électrons occupent un état à haute mobilité pour des champs électriques faibles, mais passent vers les états à faible mobilité, situés au-dessus, pour des champs électriques élevés, et qu'ils peuvent être formés avec une structure maillée déformée en chalcopyrite ayant le rapport c/a d 2 : (a) ZnSiP2 CdGeAs2, (b) ZnGeP2 CdSnAs2, (c) ZnGeAs2 ZnSnAs2, (d) CdSnP2 CdSiP2, et (e) CdSnAs2 et ses solutions solides avec InAs. Les séries I, IIIs VI2 de composés, par exemple du CdInSe25 AgInTe2 et CuInTe2, peuvent également être formées avec ce type de déformation de maille. Des structures maillées en diamant déformé tétragonalement sont engendrées à partir de silicium et de germanium, sous des pressions de l'ordre de 100 Kb et des températures comprises entre 5000C et 1 7000C. Des structures maillées déformées de blende de zinc sont formées par des composants ternaires du groupe du diamant quand les distorsions de la structure de blende de zinc prennent place. Le composé ternaire CdGeAs2 présente une forte déformation tétragonale. Les intervalles d'énergie et les mobilités pour ce matériau qui sont respectivement de l'ordre de 0,7 à 1,7 électronsvolts et de 1 à 500 cm2/v-sv sont comparables à ceux du Gazas, et sont, en conséquence, très convenables pour le mécanisme de transfert d'électrons. L'élément actif du montage d'émetteur représenté sur la figure 1, comporte un disque 10 à faces parallèles de matériau semiconducteur, ayant un diamant déformé triangulairement ou tétragonalement, ou bien un réseau maillé de blende de zinc, ou bien un réseau maillé orthorhombique ou en chalcopyrite Des zones de contact ohmiques il sont fixées sur les faces pleines du disque.Une source de courant unidirectionnel est utilisée pour appliquer une différence de potentiel de valeur contrôlable entre les zones de contact 11, et un circuit de sortie 13 est utilisé pour extraire toute composante oscillatoire du courant traversant le cristal Le phénomènc de transit de domaines se manifeste de lui-même par 1 'appari- tion dans le circuit de sortie 13 d'une composante oscillatoire dans le courant traversant le cristal 10j quand la différence de potentiel appliquée aux bornes du cristal, en provenance de la source 12, est supérieure à une valeur critique; pour un cristal d'arséniure de gallium, de longueur 0,2 mm, le potentiel critique nécessaire pour provoquer une oscillation est de l'ordre de 40 volts, correspondant à un champ à l'intérieur du cristal de l'ordre de 2 000 volts par cm, la fréquence auto-oscillatoire étant directement fonction de la longueur ?du cristal, et étant de l'ordre de 109 cycles par seconde. Dans le montage représenté sur la figure 1, le potentiel applique provenant de la source 12 est une fraction déterminée expérimentalement du potentiel nécessaire pour provoquer une auto-oscillation et est choisi de telle sorte qu'une onde oscillatoire superposée à elle, par un oscillateur local 14 présentant un signal de sortie sinusotdal, fait passer le cristal dans son état auto-oscilla- toire pendant des intervalles de temps courts au cours de chaque cycle de la fréquence d'entrée. En d'autres termes, la valeur de pointe de la tension du signal oscillatoire est amenée à oetre juste suffisante pour dépasser le champ électrique à l'intérieur du cristal, au-dessus de la valeur de seuil.Dans ces conditions, on a trouvé que chaque déclenchement du cristal par la pointe d'une demi-période du signal d'entrée, engendre une impulsion de courant pointue en tirant de la puissance de la source de potentiel 12 pour la faire apparaître dans le circuit de sortie 13 L'onde oscillatoire appliquée au dispositif, provenant de l'oscillateur 14, fait ainsi apparaître à la sortie 13 un train correspondant d'impulsions de courant pointues, et si la fréquence de ltoscillateur local peut Aetre modulée par un signal appliqué 15, le train d'impulsions de sortie présente également cette modulation de fréquence.Le fonctionnement du dispositif est virtuellement indépendant de la fréquence, pourvu que la fréquence auto-oscillatoire ne soit pas excessive en durée, et, ainsi, le circuit comporte un amplificateur d'impulsions complètement apériodique, capable de fonctionner à des fréquences allant Jusqu'à environ 109 cycles par seconde. La puissance de sortie disponible, pour le dis-.- positif, est fonction de la dissipation admissible dans le cristal La puissance de sortie peus s'élever à plusieurs watts, mais étant donné que le rendement est relativement faible, ceci implique une dissipation relativement élevée à l'intérieur du cristal. La source de potentiel de commande 12 peut être pulsée pour réduire la dissipation permanente. Un montage, similaire à celui représenté sur la figure 1, peut être utilisé à l'extrémité de réception d'une liaison de communication, le signal reçu, modulé en fréquenceS étant appliqué directement à l'entrée du dispositif semiconducteur à la place de celui provenant de l'oscillateur local 14. Un-filtre à bande étroite, alimenté par la sortie 13 du dispositif semiconducteur, engendre une conversion directe en un signal de sortie modulé en amplitude La figure 2 du dessin représente une variante de réalisation du montage représenté sur la figure 1, selon laquelle le dispositif semiconducteur. est modifié pour engendrer une impédance d'entrée élevée, et présente un isolement amélioré entre les circuits d'entrée et de sortie.Dans ce montage, le cristal semiconducteur 20 comportant un diamant déformé triangulairement ou tétragonalement, ou bien un réseau maillé de blende de zinc ou bien un réseau maillé orthorhombique ou en chalcopyrite, présente des zones de contact 21 sur ses faces d'extrémité aux bornes desquelles la différence de potentiel provenant de la source 22, est appliquée de la même-manière que dans le montage représenté sur la figure 1. Le circuit de sortie 23 reste inchangé.Toutefois, le signal d'entrée provenant de l'oseillateur local 24 est, dans ce montage, appliqué à une zone de contact supplémentaire 25 déposée sur l'une des faces latérales du cristal semiconducteur 20 et est isolée électriquement de lui par une couche mince en matériau isolant 26. par exemple en silice. Une rainure transversale 27 mena- gée dans le cristal semiconducteur, engendre un étranglement dans le trajet de courant à travers le cristal entre les zones terminales 21 opposées à l'electrode supplémentaire 25 Si un potentiel de polarisation approprié est appliqué à l'electrode 25, par une source de polarisation 28, une couche de barrage est amenée à s'étendre dans la gorge étranglée du cristal qui est opposée à l'électrode 25. La profondeur de cette couche et, en conséquence, la valeur pour laquelle sa présence rétrécit encore le trajet considéré à travers le cristal, dépend de la valeur de la tension de polarisation Si la tension de polarisation d'état permanent. provenant de la source 28 est combinée avec la tension oscillatoire obtenue à partir de l'oscillateur local 24, comme représenté sur la figure, la couche de barrage peut être amenée à se déplacer en synchronisme avec le signal d'entrée oscillatoire. Dans son mouvement, la couche de barrage provoque une variation de la résistance de la partie rétrécie du trajet de cou-rant à travers le cristal, ce qui fait ainsi varier la différence de potentiel qui chute aux bornes de la partie rétrécie du cristal et, ainsi, le valeur du champ électrique existant à l'intérieur de cette partie du cristal.Le déplacement de la couche de barrage, peut ainsi amener le champ électrique à l'intérieur du cristal à dépasser momentanément la valeur .di seuil d! instabilité sur les pointes du signal d'entrée oscillatoire; le mode de fonctionnement résultant est équivalent à celui décrit en référence avec la figure 1, mais présente, comme ceh a déjà été indiqué, l'avantage que l'électrode d'entrée 25 est isolée électriquement du cristal, en délivrant un signal d'entrée en connexion avec une impédance d'entrée élevée et en engendrant également un isolement très largement accru entre les circuits d'entrée et de sortie. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec un exemple particulier de réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIO.5S l/- Montage de circuit semiconducteur, caractérisé en ce qu il comporte - un corps de matériau semiconducteur comportant un diamant déformé triangulairement ou tétragonalement, ou bien un réseau maillé de blende de zinc, ou bien une structure maillée orthorhombique ou en chalcopyrite, le corps engendrant des effets d'instabilité à champ élevé ; -- une source de courant5 montée pour délivrer un champ électrique à l'intérieur du corps entre des zones de contact espacées ;; - un circuit d'entrée modifiant le champ électrique en réponse à un signal d'entrée, la valeur du champ à l'intérieur du corps étant normalement partout inté- rieure à la valeur du seuil d'instabilité et augmentant en réponse au signal d'entrée pour une valeur excédant la valeur du seuil d'instabilité, au moins localement, à l'intérieur du corps pendant une durée plus courte que la durée de transit d'instabilité entre les zones de contact espacées, afin d'amener le courant traversant le corps à subir une simple excursion à partir de sa valeur d'état permanent. 20/ Montage de circuit semiconducteur, selon la revehdieåtion 1, caracté ris;C en ce que le circuit d'entrée est approprié pour accroître la différence de potentiel entre les zones de contact espacées, en réponse au signal d'entrée, jusqu'à une valeur telle que la valeur du champ électrique, au moins localement à l'intérieur du corps, excéde la valeur du seuil d'instabilité 3 /- Montage de circuit semiconducteur, selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit d'entrée et la source dé courant, sont montés en série entre les zones de contact espacées. 40/- Montage de circuit semiconducteur, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'entrée est approprié pour provoquer, en réponse au signal d'entrée, un rétrécissement ou étranglement de la section transversale effective du trajet de courant à travers le corps, entre les zones de contact espacées et, ainsi, pour amener la valeur du champ électrique à l'intérieur du corps à excéder, au moins localement, la valeur du seuil d'instabilité. 50/- Montage de circuit semiconducteur, selon la revendication 4= caractérisé en ce que le circuit d'entrée comporte une électrode d'entrée adjacente au corps, et des moyens pour appliquer une différence de potentiel entre l'électrode et le corps afin de créer, dans le corps, une couche de barrage qui rétrécit la section transversale effective du trajet de courant à travers le corps entre les zones de contact séparées, la valeur de la différence de potentiel variant en fonction du signal d'entrée. 60/- Montage de circuit semiconducteur, selon la revendication 5, caractérisé en ce que I 'électrode est isolée par rapport au corps. zinc Montage de circuit semiconducteur, selon la revendication 5, caracté rlsé en ce que le corps est conformé pour concentrer l'écoulement du courant entez les zones de contact espacées, dans cette partie du corps adjacente à l'électrode d'entrée. 8 /- Montage de circuit semiconducteur, selon la revendication 7@ caractérisé en ce que la section transversale du corps, dans la direction perpendiculaire à la direction de l'écoulement du courant, entre les zones de contact, est réduite au voislnaje de l'élect@ode d'entrée. 90/ Montage de circuit semiconducteur, selon la revendication 1 caractérisé en ce que la source de courant est connectée de manière intermittente aux zones de contact.