Brevet FR2013299A1 — publié le 19700327

la présente invention se rapporte à la génération d'oscillations électriques et, plus particulièrement, à une diode seai-conductrice oscillatrice utilisant des effets de claquage ou percement en avalanche* 5 Divers dispositifs ont été suggérés antérieurement pour assurer un fonctionnement en oscillateurs de dispositifs semiconducteurs. Ces oscillateurs sexQi-*conducteurs comprennent, par exemple, un oscillateur transistorisé, les montages oscillateurs transistorisés utilisent généralement de nombreux éléments actifs 10 et passifs qui rendent inévitablement 1*ensemble de la structure extrêmement compliqué. D'autres dispositifs oscillateurs semiconducteurs antérieurement proposés sont ceux qui utilisent des effets de temps de transit. 1*inconvénient le plus grave de ces dispositifs est que les opérations sont limitées à une bande de 15 fréquence relativement étroite. Compte tenu de ce qui précède, l'invention se propose notamment de fournir une diode semi-conductrice oscillatrice perfectionnée, capable d'osciller dans une bande de fréquence relativement large de l'ordre de TQ kilohertz à î mégahertz en ré-20 ponse à une variation de la tension qui lui est appliquée f qui est de construction simple et capable d'osciller avec une grande efficacité. 1*invention est basée sur le fait qu'on a trouvé que lorsqu'on applique une tension continue à un élément semi-conducteur 25 dans lequel la durée de vie d'un porteur minoritaire est plus longue près de la surface que dans la profondeur dudit élément, un percement en avalanche se produit près de la surface de façon répétée à des intervalles de temps fixes de manière à fournir une oscillation de relaxation. 30 Suivant une caractéristique de 1*invention, il est prévu un élément semi-conducteur monocristallin qui comprend une zone d'un premier type de conductibilité comportant une région de percement étroite et une zone fortement dopée dtr même type de conductibilité* En fonctionnement, cet élément est polarisé à 35 une intensité de champ supérieure à l'intensité caractéristique du percement en avalanche, de sorte que des percements en avalanche 3e produisent à des intervalles de temps fixes en créant des oscillations électriques. BAD ORIGINAL 69 24624 «r 2 2013299 Dans un mode de réalisation de l'invention décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif, une diode semi-conductrice convenablement conçue est montée en série avec une résistance de charge et avec une source de tension continue qui polarise la 5 structure de la diode à un point où des percements en avalanche répétés se produisent. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels ï 10 La figure t est un schéma simplifié drune diode semi-con ductrice oscillatrice suivant l'invention» La figure 2 est un graphique de la caractéristique tension/ , intensité de la diode représentée sur la figure 1. La figure 3 &st un graphique représentant la distribution 15 du champ électrique dans la diode représentée sur la figure 1, d'une part avant et, d'autre part après le perce nient en avalanche » La figure 4 représente un exemple type de la forme d'onde des oscillations électriques de la diode de la figure 1, 20 La figure 5 représente un circuit équivalent de la diode de la figure t. • La figure 6 est un graphique représentant schématiquement la distribution des concentrations en impuretés près de la surface d'un élément semi-conducteur suivant l'invention. 25 La figure 7 est une représentation logarithmique des re lations entre la tension d'amorçage àroscillation et les concentrations en impuretés de la région de percement de la diode semi-conductrice suivant l'invention, La figure 8 est un graphique représentant schématiquement 30 la distribution du champ électrique au voisinage de :la. surface dans l'élément semi-conducteur suivant 1*invention, La figure 9 est un graphique de la distribution des concentrations en impuretés d'une diode semi-conductrice oscillatrice au GaAs suivant l'invention, 35 La figure 10 est un graphique de la caractéristique ten sion/intensité de ladite diode semi-conductrice oscillatrice au GaAs, et La figure 11 est un schéma de câblage simplifié de la diode semi-conductrice oscillatrice suivant 1'invention. BAO ORIGINAL 69 24624 3 2013299 Avant de décrire de façon plus précise un mode de réalisation de l'invention, il est bon d'exposer "brièvement les principes de l'oscillation qu'on peut obtenir avec la diode semi-conductrice suivant l'invention. - " 5 " Il est universellement connu, dans la physique des semi conducteurs, que la durée de vie d'un-porteur minoritaire est considérablement plus courte près de' la surface d'une masse semi-conductrice que dans les profondeurs de cette ■-masse ; Ceci est dû au fait qu'il existe un plus grand nombre-de centres de 10 recombinaison près de la surface que dans Te s" profondeurs de la masse, ces centres ayant pour-effet d'emprisonner un-porteur minoritaire en un temps court. Toutefois, il est possible de rendre la durée de vie d'un porteur:minoritaire près-de-la " surface plus longue dans une mesure suffisante pour -qu'elle devienne sen-15 siblement égale ou même supérieure à sa durée de vie dans les profondeurs de la masse, en réduisant le nombre" des centres de recombinaison près de la surface ou en réduisant le nombre de porteurs majoritaires-qui recombinent des porteurs minoritaires près de la surface. La prolongation de la durée, de-vie des por-20 teurs minoritaires près de la surface peut être, obtenue par des traitements chimiques et thermiques combinés avec l'addition d'impuretés convenables. L'élément semi-conducteur 10 représenté sur la figure 1 est du genre comprenant une zone'11 du type K et une zone 12 du 25 type îï+, dans lequel la durée • de- vie d'un porteur minoritaire est plus longue près de la surface et au voisinage immédiat de la zone 11 du type- N que dans les.profondeurs de l'élément. L'élément se mi-conducteur. 1-0 est pris, en sandwich entre-deux électrodes et 14 qui sont maintenues en contact;'",ahmique avec l'é-30 lé ment 10. ' - ' On applique à l'élément 10 une tension de la polar.l"é indiquée, au moyen des connexions ohmiques, -de manière à !•-- polariser en sens inverse pour" provoquer un percement en avalanche. La caractéristique tension/intensité de l'élément l-Q mesurée alors 35 qu'il est polarisé en sens inverse est représentée sur la figure 2. Juste avant qu'un percement se produise, la distribution du champ transversalement à l'élément 10 près de la surface doit être avantageusement établie' de la manière représentée en trait BAD ORIGINAL 69 24624 4 2013299 plein sur la figure 3, ou l'intensité de champ est portée sur une courbe en fonction de la distance par rapport à la surface dans le sens de l'épaisseur de l'élément 10. Dans l'exemple considéré, l'intensité de champ présente une crête 15 près de 5 la surface et est sensiblement nulle sur le reste de la courbe ; .On supposera qu'une perturbation se produit dans un élément semi-conducteur 10 présentant la distribution de champ électrique représentée en trait plein sur la figure 3. Cette perturbation rend légèrement plus intense le champ électrique 10 près de la surface, ce qui se traduit par un percement en avalanche dans une partie de la zone 11 du type N, partie qui sera désignée ci-après sous le nom de "région de percement". Une fois que le percement en avalanche se produit, un certain nombre de paires électrons-trous sont engendrées et les électrons de ces 15 paires traversent l'élément 10 et sont én conséquence absorbés dans le contact ohmique 14 qui est connecté à la borne positive d'une source de tension 16. Par ailleurs, une partie des trous ainsi produits atteignent immédiatement le contact ohmique opposé 13 pour se combiner avec des électrons qui sont fournis par la bor-20 ne négative de la source de tension 16. Etant donné que, comme précédemment décrit, la durée de vie d'un porteur minoritaire est plus longue près de la surface que dans les profondeurs de l'élément 10, une accumulation de trous se produit près de la surface. Ceci tend à réduire l'intensité du champ électrique de 25 la partie dans laquelle le percement en avalanche se produit, la distribution du champ après le percement se présente sous la forme représentée par la courbe en traits interrompus du graphique de la figure 3. L'affaiblissement du'champ'électrique près de la surface. 50 interrompt le percement en avalanche, de sorte qu'aucune■paire électron-trou n'est plus engendrée. En conséquence, les trous voisins de la surface qui ont déjà été engendrés se recombinent graduellement avec des électrons, d'où il résulte que le champ électrique près de la surface devient à' nouveau plus intense 35 jusqu'au niveau indiqué par la courbe en trait plein de la figure 3, en provoquant un percement en avalanche. Lorsque le percement en avalanche se produit, le processus précédemment décrit se répète jusqu'à ce qu'il soit à nouveau interrompu par l'accumulation de trous près de la 'surfaceCes percements en ava- BAD ORIGINE 69 24624 5 2013299 1anche répétés engendrent des oscillations électriques. la figure 4 représente la forme d'onde des oscillations électriques qu'on observe avec la diode semi-conductrice oscillatrice suivant l'invention. Sur la figure 4, T représente la 5 période de temps d'oscillation qui correspond à la durée de temps qui s'écoule entre le début et la fin du percement en avalanche* la forme d'onde observée pendant la période d'oscillation va maintenant être décrite en se référant à un circuit équivalent représenté sur la figure 5. Dans ce circuit,R est la résistance 10 au courant alternatif de l'élément 10 par rapport aux électrons produit par le percement en avalanche, G, la capacité de la région d'appauvrissement existant entre la zone 11 du type N et la zone 12 du type ïï+, 1, l'inductance correspondant à un retard temporel résultant du temps de transit des électrons à travers 15 la région d'appauvrissement, et la résistance au courant continu de l'élément 10. Dans le circuit équivalent représenté, l'origine des oscillations électriques est considérée comme étant l'instant auquel la capacité qui a été chargée commence à se décharger dès que deux interrupteurs et sont fermés simul-20. tanément. En ce qui concerne la composante de courant alternatif des oscillations électriques, il suffit de considérer la partie du circuit équivalent 17 encadrée en traits interrompus qui constitue ce qu'on appelle un circuit résonnant série 1CR (inductance-capacité-résistance). Il est facile de voir, en exa-25 minant la forme d'onde représentée sur la figure 4 que l'oscillation électrique est une oscillation de relaxation. l'équation du courant d'oscillations est la suivante ï 30 CD On remarquera qu'on peut faire varier la période de temps T en changeant le facteur de déclenchement et d'interruption des oscillations électriques, par exemple en ajustant.la distribution 69 24624 6 2013299 du champ électrique, la concentration en trous ou la durée de vie de ceux-ci près de la surface. Pour obtenir line oscillation haute fréquence, il est nécessaire d'élever le niveau de la tension appliquée à l'élément 5 semi-conducteur 10. En effet, cette augmentation de la tension fait proliférer les électrons fournis par la borne négative de la source de tension 16, d'où il résulte que la vitesse de recombinaison croît proportionnellement au nombre des électrons, en réduisant ainsi le temps qui s'écoule entre le début et la 10 fin du percement en avalanche. Diverses techniques connues peuvent être utilisées pour former la structure semi-conductrice décrite ci-dessus. La figure 6 représente schéraatiquement la distribution de concentrations en impuretés du type N près de la surface qui doit être 15 établie pour que l'élément semi-conducteur se comporte de la manière décrite. Une pastille semi-conductrice fortement dopée est préparée pour former un. substrat 12 du type K+„ Le substrat peut présenter et présente de préférence une concentration en impure- 18 "5 tés d'environ 10 atones par cm de sorte que la résistance au 20 courant continu et une perte thermique du substrat sont faibles. Le substrat peut être en un matériau désiré quelconque à condition que celui-ci présente des propriétés semi-conductrices, comme c'est le cas, par exemple, pour Ge," Si et GfaAa. Sur le substrat 12 fortement dopé on forme par croissance 25 épitaxiale une couche t1 du type de conductibilité N. La couche supplémentaire 11 doit présenter une distribution de concentrations en Impuretés telle que représentée par la courbe en farine d'U de la figure 6. L'épaisseur de la .couche 11 est de préférence de l'ordre de 10 microns. Pour obtenir une telle distribution 30 en forme d'U des concentrations en impuretés, la quantité de donneurs à. doper doit être modifiée au cours de. la croissance épi-taxiale. La concentration de la couche 11 déposée par croissance épitaxiale telle que représentée sur la figure 6 doit être telle que le temps de relaxation dans la couche 11 soit, suffisamment 35 court par rapport à la période d'oscillation. La concentration de la région de percement doit être la plus faible de manière à augmenter l'intensité du champ électrique dans cette région même afin qu'on obtienne une oscillation d'une stabilité satisfaisante, Les expériences entreprises par la Demanderesse ont montré 69 24624 7 2013299 que la concentration de la région de percement doit être inférieure au moins à la moitié de la concentration des autres parties de la zone 11 du type N et de préférence inférieure à 10^ atomes par cm . les relations entre les concentrations en impu-5 retés de la région de percement et 'la tension à laquelle les oscillations électriques s'amorcent sont représentées sur la figure 7. Un autre procédé de traitement d'une pastille semi-conductrice en vue d'obtenir la distribution désirée de concentration 10 en impuretés consiste à immerger une pastille semi-conductrice fortement dopée dans une solution qui agit sur elle de manière à réduire effectivement le nombre de porteurs et à soumettre ensuite la pastille à un traitement thermique. Dans ce procédé où Fe est choisi comme impureté, PeCl^ doit être utilisé comme so-15 lution, tandis que si l'on choisit Cu, la solution doit être CuSO^, et tandis que, si l'on choisit Ni la solution doit être ITiCl^. Lorsqu'une tension continue est appliquée à la pastille semi-conductrice ainsi traitée, celle-ci présente une distribution de champ électrique telle que représenté sur la figure 8. 20 Pour augmenter l'efficacité de l'oscillation, il est né cessaire de faire produire par les porteurs minoritaires accumulés une forte variation du champ électrique dans la région de percement. On y parvient en rendant la distance 1 entre la sur-- face et la région de percement sensiblement égale ou inférieure 25 à la longueur de diffusion d'un porteur minoritaire. En d'autres termes, il faut A* V**. où D représente la longueur de dif- .r _ ^ fusion d'un porteur minoritaire et la durée de vie de ce porteur minoritaire. En outre, pour éviter une instabilité qui, autrement, af-30 fecterait les oscillations électriques, la région de percement doit être suffisamment localisée pour qu'un percement en "-,1 anche se produise dans une position déterminée". A cet effet, la région de percement est de préférence aussi étroite que possible au stade actuel du développement de la technologie. Toute-35 fois, la réduction d'épaisseur de la région de percement est limitée à la valeur- pour laquelle un effét de tunnel affecte de façon nuisible le fonctionnement de l'oscillateur. Une autre exigence lors de la, détermination de l'épaisseur de la région de percement réside en ce que le temps de transit-des électrons doit BAD ORIGNAL 69 24624 8 2013299 être plus court que la période d-'oscillation électrique, pour éviter une instabilité dans l'oscillation. La région .de percement en avalanche du dispositif * du'mode'-de réalisation préféré est de l'ordre de quelques microns » La'figure 9 représente la 5 distribution des concentrations en impuretés de la diode semi-conductrice oscillatrice utilisant- une. couche épitaxiale- de GaAs. Comme on le voit clairement.sur la figure 9, la région de percement-est localisée à une profondeur de 12 à 4 microns au-dessous -de la surface, La figure 10 est un graphique de la ca-10 ractéristique tension/intensité de lq. diode semi-conductrice oscillatrice au GaAs, suivant un mode de réalisation de l'invention. . . . Sur la figure 11 est représenté un schéma de câblage simplifié de la diode oscillatrice 10 telle qu'elle est effective-15 ment mise en service. L'élément semi-conducteur 10 est monté en série avec une charge résistive 17 et avec une source de tension continue 16. Si la source de tension est réglée à 40 volts, les caractéristiques des oscillations de 1'oscillatrice semi-conductrice sont les suivantes : 20 25 T = 20 J\ s *£ = 40 nsec I = 10 mA (composante de courant continu) = 300 mA Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au serni-conduc-teur du type N représenté sur les figures dans lequel un porteur minoritaire est un trou, et si on le désire, elle peut être également appliquée a un semi-conducteur du type ?. 30 Gomme précédemment décrit, en utilisant un semi-conducteur 10 présentant la distribution de concentrations en impuretés représentée, une oscillation stable peut être obtenue avec une efficacité d'oscillation accrue. Suivant une variante, en projetant de la lumière sur la région de percement, on peut faciliter consi-35 dérablement la reccmbinaison, ce qui permet de réduire la tension d'amorçage de l'oscillation. Comme on peut le voir d'après la description ci-dessus, l'invention permet de réaliser une diode semi-conductrice oscillatrice nouvelle et efficace basée sur un principe entièrement nouveau 40 et, par conséquent, l'oscillateur suivant l'invention trouve un domaine d'utilisation étendu incluant, par exemple, un élément oscillateur sensible à la tension, un modulateur permettant de convertir -une composante de courant alternatif ou de courant continu en une fréquence, etc.. BAD ORIGINAL 45 69 24624 -9- 2013299 LEGENDE DES DESSINS Figures Repères 2 A Claquage en avalanche 3 B Intensité de champ 4 D Temps 6 E Région de claquage II F Concentration 7 G Tension d'amorçage de l'oscillation II H Concentration d'impuretés de la région de claquage 8 J Intensité du champ 9 K Concentration It L Distance à partir de la surface 11 M Sortie 69 24624 10 2013299 REVENDICATIONS 1. Une combinaison comprenant un élément se mi-conducteur comportant une première partie d'un premier type de conductibilité, une seconde partie du même type de conductibilité mais 5 d'une conductiMBté plus'élevée que celle de la première partie, une paire d'électrodes espacées maintenues en contact ohmique avec chacune desdites première et seconde parties et des moyens pour appliquer une polarisation audit élément de manière à provoquer des claquages ou percements en avalanche répétés dans 10 une région localisée de la première partie, moyennant quoi des oscillations électriques sont produites. 2. La combinaison de la revendication 1, dans laquelle l'élément semi-conducteur est en germanium. 3. La combinaison de la revendication 1, dans laquelle 15 l'élément semi-conducteur est en silicium. 4. La combinaison de la revendication 1, dans laquelle l'élément semi-conducteur est en arséniure de gallium. 5. la combinaison de la revendication 1, dans laquelle ledit type de conductibilité est de type N. 20 6. La combinaison de la revendication 1, dans laquelle ledit type de conductibilité est de type P. 7. La combinaison de la revendibation 1, dans laquelle ladite première partie comporte une région de faible concentration en impuretés dans laquelle des percements en avalanche se 25 produisent. 8. La combinaison de la revendication 1dans laquelle la concentration en impuretés, dans la région de percement est inférieure à 10^ atomes par cm^. 9. La combinaison de la revendication 1, dans laquelle 30 la région de percement localisée a une épaisseur de l'ordre de- quelques microns.