Brevet FR2032477A1 — publié le 19701127

Ô7305 1 2032477 l'invention concerne des composants à effet de transfert d'électrons à état solide, utilisés à titre d'amplificateurs à& microondes ou d'oscillateurs à hautes performances. Plus précisément, l'invention concerne des composants à effet de transfert d'électrons 5 à dopage sous-critique et à limitation du courant d'injection (SDICL), formés d'un semi-conducteur dont le produit de la densité de dopage par la longueur est inférieur à la valeur critique nécessaire pour l'entretien d'une oscillation du domaine de champ élevé, le champ électrique étant maintenu au-dessus du champ électrique de 10 seuil sur la totalité ou la majeure partie de la longueur du composant actif.» lia création d'oscillations de courant de micro-ondes cohérent dans des cristaux homogènes d'arséniure de gallium de type n fortement dopé, soumis à des tensions continues élevées qui dépassent la 15 tension de seuil, est généralement appelée "effet G-unn". Il est bien établi que le mécanisme responsable de l'effet fiunn dans des semiconducteurs appropriés est lié au transfert d'électrons "chauds11 entre des vallées de bande de conduction dont le niveau d'énergie est séparé par une fraction d'électron-volt. Les vallées de bande de 20 conduction à énergie inférieure sont les bandes de conduction d'électrons normales et une tension appliquée qui produit un champ électrique suffisamment élevé provoque le transfert des électrons "chauds'1 entre les vallées à basse énergie et à haute mobilité et les vallées à énergie plus élevée et à faible mobilité où ils de-25 viennent moins efficaces dans le processus de conduction. Le mécanisme des électrons transférés donne lieu à une résistance négative globale contrôlée par la tension, de sorte que le courant de sortie peut décroître alors même que le champ électrique appliqué est maintenu constant ou augmenté. Dans le mode de fonctionnement décrit; à 30 l'origine par G-unn, pour des échantillons; d'arséniure de gallium- de type n ayant un produit nQL (nQ = corteentration de porteurs deg etear-ge à l'équilibre; L = longueur de la diode) supérieur à une laLw 1 o p critique de l'ordre de 10 /cm , l'application à la diode champ électrique ri an3 la région de résistance négative provoque la forma-35 tion, dans l'espace entre électrodes et ordinairement à 1». cathode, d'un domaine étroit de dipôle de charge spatiale à champ élevé. Le domaine à champ élevé croît jusqu'à une forme stable et aigre vers l'anode où il est recueilli, et un nouveau domaine de charge spatiale se forme ensuite à la cathode. La période de l'oscillation de 40 courant qui en résulte est donc proportionnelle au temps de transit 70 07305 2 2032477 du domaine de dipôle à champ élevé en mouvement pour parcourir la longueur de la. diode. La région à champ élevé capture la majeure partie de la tension appliquée et, en conséquence, le champ électrique dans le reste de la diode est abaissé au—dessous de la valeur 5 de seuil (cf. fig. 1 qui montre la distribution du champ électrique en fonction de la longueur de la diode à un instant arbitraire considéré) . Par ailleurs, le faible champ électrique dans la région cathodique peut être attribué à la conductivité élevée du contact "ohmique", qui crée une région n+ fortement dopée à l'extrémité ca-10 thode de la diode et injecte des porteurs de charge électronique en quantité suffisante pour maintenir le champ à un faible niveau. En conséquence de la distribution non uniforme du champ, une partie seulement de la diode, à savoir la partie qui a des valeurs de champ électrique au-dessus du seuil, engendre une puissance à haute fré-15 quence. Le reste de la diode, ayant des faibles valeurs de champ électrique inférieures au seuil, est passif et dissipe l'énergie HP. D'autres modes de fonctionnement de composants à effet de transfert d'électrons ayant un produit nQL surcritique aboutissent à des rendements plus élevés en tant qu'oscillateurs à micro-ondes, 20 en établissant une distribution plus uniforme du champ électrique, de sorte qu'une plus grande partie du composant a des valeurs de champ supérieures au seuil. Il s'agit du mode à accumulation de charge spatiale limitée (LSA) et du mode dit hybride (cf. fig. 1), l'un comme l'autre nécessitant des circuits résonnants extérieurs 25 pour commander la dynamique des électrons des diodes. Dans le mode LSA, le circuit extérieur superpose à la tension continue de polarisation une tension HP ayant une fréquence supérieure à la fréquence de temps de transit et le champ électrique total à travers la diode s'élève, à partir d'une valeur inférieure au champ de seuil, 50 à une valeur supérieure au double du seuil, suffisamment vite pour que la distribution de charge spatiale associée à un domaine de dipôle à champ élevé n'ait pas le temps de s'établir. La couche d'accumulation d'électrons qui est injectée est arrêtée dans l'espace inter-électro&es lors de la chute de la tension HP à un point où le 55 champ total, est inférieur au champ de seuil. Dans le mode hybride, une formation partielle de domaine se produit dans une période de temps comparable à une période HP. Un domaine appréciable mais non entièrement développé s'amorce tandis qu'il parcourt le semi-conduc-teur actif et il existe des domaines à différents degrés de forma-40 tion pendant le fonctionnement de la diode. Avec l'un et l'autre de 70 07305 3 2032477 ces modes de fonctionnement, de même qu'avec le mode Qunn originel, le champ du côté de la cathode est inférieur au champ de seuil et la distribution du champ est instable. Un autre type de composant à effet de transfert d'électrons 5 est composé d'échantillons semi-conducteurs légèrement dopés, ayant un produit de densité de dopage et de longueur inférieur à la valeur critique nécessaire pour entretenir une oscillation de Gunn. Un composant ordinaire à dopage sous-critique d'arséniure de gallium 4 O p de type n, ayant un produit nQL inférieur à 10 /cm , présente une 10 distribution de champ non uniforme lorsqu'il est polarisé avec des champs électriques supérieurs au champ de seuil, distribution qui est stable dans le temps et dans l'espace. La formation de domaines à champ élevé est inhibée et le champ électrique (voir fig. 1) augmente en continu de la cathode à l'anode. Du fait de l'utilisation 15 d'un contact cathodique "ohmique" qui est pratiquement non bloquant à l'égard des électrons, il y a un nombre en excès d'électrons injectés dans la région de la cathode et le champ électrique est inférieur au seuil sur •une partie notable de la diode. Le composant est stable, contrairement à une diode qui entretient une oscilla-20 tion de Gunn, et il peut être utilisé à titre d'amplificateur pour des signaux ayant une fréquence au voisinage de la fréquence de temps de transit et de ses harmoniques. Avec une réaction suffisamment positive, le composant peut être utilisé dans des circuits tels qu'un oscillateur. Le rendement est bas car le champ électri-25 que est faible sur une grande partie de la longueur de la diode et cette partie dissipe l'énergie HP. Afin d'obtenir des rendements plus élevés, il serait souhaitable de maintenir le champ électrique dans la région active plus uniforme et supérieur au champ de seuil. Mais cela n'a pas pu être réalisé, notamment en raison du fait que 30 la diode ordinaire à dopage sous-critique, ainsi que les diodes à dopage critique qui engendrent des oscillations par effet Gunn ont été décrites dans la littérature connue comme comportant des contacts "ohmiques". En conséquence, l'invention a pour but de fournir un composant 35 à effet de transfert d'électrons stable, nouveau et amélioré, composé d'un matériau semi-conducteur à dopage sous-critique, le champ électrique sur la longueur entière du composant actif ou sur une partie de la longueur supérieure à ce qui a été atteint jusqu'ici étant maintenu au-dessus du champ électrique de seuil, de sorte que 40 ce composant ait un rendement élevé en tant qu'amplificateur de 70 07305 4 2032477 micro-ondes ou oscillateur. Un autre but est de fournir un composant à effet de transfert d'électrons à dopage sous-critique, nouveau et amélioré, comportant une nouvelle structure cathodique qui limite les porteurs de charge 5 injectés, de façon à maintenir ainsi au-dessus du seuil le champ électrique au niveau ou à proximité de l'extrémité cathode du matériau semi-conducteur actif. Un autre but encore de l'invention est de fournir un composant à effet de transfert d'électrons, à courant d'injection limité, à 10 dopage sous-critique, à large bande, de type nouveau et amélioré, caractérisé par une distribution pratiquement uniforme du champ électrique lorsqu'il est polarisé au-dessus du champ de seuil, ainsi que par une plus grande indépendance des limitations de fréquence de temps de transit. 15 Un autre but est la mise en oeuvre de circuits à micro-ondes à rendements améliorés, utilisant, à titre d'éléments actifs, des composants à effet de transfert d'électrons à état solide. Un objet complémentaire de l'invention est de parvenir à des niveaux de puissance de micro-ondes plus élevés dans des circuits 20 amplificateurs de micro-ondes et oscillateurs, par l'utilisation d'une série de composants stables à effet de transfert d'électrons, à dopage sous-critique. Conformément à l'invention, un composant amplificateur de micro-ondes à état solide à haut rendement comprend une structure a-25 nodique et une structure cathodique, séparées par un corps actif en un matériau semi-conducteur massif qui présente l'effet de transfert d'électrons lorsqu'il est polarisé au-dessus du champ électrique de seuil et qui a un produit nQL inférieur à la valeur critique nécessaire pour maintenir une oscillation de Gunn, ce composant 30 étant caractérisé par un agencement pour limiter l'injection de porteurs de charge dans le corps semi-conducteur actif à une valeur voulue, afin de maintenir au-dessus du seuil le champ électrique au voisinage de la structure cathodique et sur le reste de la longueur du corps semi-conducteur actif. De préférence, le matériau semi-35 conducteur actif massif est dopé uniformément, et le produit nQL et la valeur des porteurs de charge injectés sont choisis de façon à maintenir le champ électrique pratiquement uniforme sur la totalité ou la majeure partie de la longueur du corps semi-conducteur actif. La limitation du courant d'injection est obtenue grâce à une 40 structure cathodique qui représente une barrière de potentiel 70 07305 2032477 d'énergie électronique ayant la hauteur appropriée, ou effectue une limitation de charge spatiale du flux de courant injecté, ou contient une région semi-conductrice dont la conductivité peut être réglée par un rayonnement extérieur incident sur la structure ca-5 thodique. D'autres techniques peuvent être aussi utilisées pour limiter le courant d'injection, par exemple en donnant au semi-conducteur massif actif une section transversale progressivement décroissante ou une forme équivalente électroniquement. Dans le cas le plus courant, le nouveau composant amplificateur à effet de transfert 10 d'électrons est une diode formée de semi-conducteur massif en arsé-niure de gallium de type n et plusieurs de ces composants peuvent être montés en série ou en série-parallèle pour produire des niveaux de puissance plus élevés dans des circuits amplificateurs de micro-ondes et oscillateurs. 15 Ces objets, caractéristiques et avantages de l'invention as sortiront, ainsi que d'autres, de la description plus particulière suivante de plusieurs formes préférées d'exécution de l'invention, telles qu'illustrées par les dessins annexés. La fig. 1 est un graphique de la distribution du champ élec-20 trique en fonction de la longueur, pour plusieurs diodes à effet de transfert d'électrons à dopage critique et à dopage sous-critique appartenant à l'état actuel de la technique et pour la nouvelle diode à courant d'injection limité à dopage sous-critique (SDICL). La fi.g. 2 reproduit "une caractéristique typique de champ-cou-25 rant de résistance négative pour des dispositifs à effet de transfert d * éleçstrons. Les fig. 3 et 4 sont des schémas de montage de circuits à micro-ondes, utilisant respectivement la diode SDICL dans tin circuit amplificateur et un circuit oscillateur. 30 La fig. 5 est une vue isométrique d'une forme d'exécution ou modèle de diode SDICL dans laquelle la limitation du courant d'injection est réalisée par une structure cathodique ayant une barrière de potentiel aux porteurs de charge. Les fig. 6a et 6c sont des diagrammes de l'énergie électroni-35 que en fonction de la distance au niveau de l'interface métal-semiconducteur, pour deux procédés différents d'établissement de la limitation par barrière selon la fig. 5; la fig. 6b est semblable à la fig. 6a, mais elle représente, à des fins de comparaison, la courbe lorsque la diffusion est prolongée pour obtenir le contact 40 "ohmique" antérieurement connu. 70 07305 6 2032477 La fig, 7 est une vue latérale schématique d'un autre modèle de diode SDIGL comportant une structure cathodique qui contient une j onction p-n. La fig. 8 est une vue latérale d'une diode SDICL comprenant 5 une structure cathodique qui contient un semi-conducteur étranger ou un isolant pour former une hétéro-jonction avec le matériau actif. Les fig. 9a et 9b sont des courbes de l'énergie électronique en fonction de la distance pour la diode de la fig. 8, comprenant 10 respectivement un semi-conducteur étranger et un isolant. La fig. 10 est une vue latérale d'une diode SDICL comportant une structure cathodique qui contient une région de semi-conducteur intrinsèque, légèrement dopé ou compensé. La fig. 11 est un tracé de la densité de porteurs de charge en 15 fonction de la longueur pour la diode de la fig. 10 ou pour une diode dans laquelle le même résultat pratique est atteint en faisant varier la densité de donneurs à l'une des extrémités du cristal semi-conducteur actif. La fig. 12 est une vue latérale d'une diode SDICL comportant 20 une structure cathodique qui est commandée par un rayonnement extérieur. La fig. 13a est une vue latérale d'une diode à dopage sous-critique profilée, et la fig. 13b est une courbe de la distribution du champ électrique en fonction de la longueur pour cette diode 25 profilée. La fig. 14a est une vue latérale d'une diode SDICL comportant une structure cathodique qui est l'équivalent électronique de la diode profilée de la fig. 13a; la fig. 14b est une vue en plan de la pellicule isolante électrique qui constitue un élément de la 30 structure cathodique. La fig. 15 enfin est un schéma de circuit d'une série de diodes SDICL pour obtenir des niveaux de puissance de micro-ondes plus élevés. Comme on peut le voir sur la fig. 1, le nouveau composant, à 35 effet de- transfert d'électrons à limitation de courant d'injection à dopage sous-critique (SDICL), a une distribution du champ électrique dans le semi-conducteur actif massif entre les régions cathodique et anodique qui est pratiquement uniforme à une valeur supérieure au champ de seuil, de telle sorte que l'on tire pleinement 40 avantage de l'effet de mobilité différentielle négative de tels 70 07305 7 2032477 composants. Pour préciser, le champ électrique au niveau ou au voisinage de la cathode est maintenu au-dessus du champ de seuil relatif au matériau semi-conducteur massif particulier qui est employé. Dans le cas idéal, tel que représenté sur la fig. 1, le champ élec-5 trique est au-dessus du seuil d'un bout à l'autre de la région active, y compris la partie directement contiguë à la structure cathodique; mais il entre dans le cadre de l'invention de maintenir le champ électrique au-dessus du seuil au voisinage de la cathode, selon ce qui est représenté sur la fig. 13b, de telle sorte que pra-10 tiquement la totalité de la région active soit au-dessus du seuil, alors même que le champ au voisinage immédiat de là cathode est au-dessous du seuil. Conformément à l'invention, il a été découvert que le champ électrique au niveau ou au voisinage de la cathode peut être mainte-15 nu supérieur au seuil par une limitation du courant d'injection à la cathode. La limitation du courant d'injection est obtenue en utilisant une structure cathodique limitant le courant, qui exerce un effet de blocage à l'égard des porteurs de charge électronique injectés, par opposition aux contacts cathodiques "ohmiques" utilisés 20 dans les dispositifs antérieurement connus, contacts qui sont essentiellement non bloquants vis-à-vis des électrons. Dans d'autres formes d'exécution de l'invention, la limitation du courant d'injection est réalisée par l'utilisation du contact cathodique "ohmique" ou non bloquant, mais en donnant au semi-conducteur massif actif une 25 forme géométrique ou un profil équivalent électroniquement pour assurer la meilleure distribution du champ. Le champ électrique est maintenu approximativement uniforme sur toute la longueur de la région active du composant ou pratiquement sur toute cette longueur, en utilisant un composant fait d'un matériau semi-conducteur qui 30 présente l'effet de transfert d'électrons lorsqu'il est polarisé avec des champs supérieurs au seuil, mais qui a un produit "densité de dopage-longueur de diode" inférieur à la valeur critique nécessaire pour entretenir une oscillation de Gunn. C'est-à-dire que ■l'on utilise une diode ayant un produit nQL sous-critique, nQ étant 35 la densité de porteurs de charge d'équilibre et L étant la longueur du semi-conducteur massif actif. Il ressort de considérations théoriques que les composants à effet de transfert d'électrons fonctionnent plus efficacement en tant que générateurs de micro-ondes lorsque le champ électrique dans le composant est maintenu uniforme sur 40 toute la région active, ce composant étant polarisé au-dessus de la 70 07305 8 2032477 tension de seuil; il devient donc évident que la condition précitée pour un fonctionnement efficace peut alors être atteinte dans un composant à effet de transfert d'électrons à limitation de courant d'injection à dopage sous-critique. En fait, des résultats de calcul 5 effectués sur le composant SDICL représenté montrent que celui-ci a un rendement de 15 environ lorsqu'il est utilisé comme amplificateur de micro-ondes à large bande. Une autre propriété importante du composant à limitation de courant d'injection à dopage sous-cri-tique réside dans le fait qu'il est stable par nature et qu'il peut 10 donc être utilisé, tant comme amplificateur de micro-ondes que, avec une réaction positive, comme oscillateur efficace. En outre, le composant SDICL ne souffre pas de limitations de fréquence de temps de transit et il est utilisable sur une large gamme de fréquences de micro-ondes. Etant donné que le nouvel amplificateur à dopage sous-15 critique est stable au courant continu, plusieurs composants SDICL peuvent être réunis directement en une série, par exemple pour obtenir des niveaux de puissance de micro-ondes plus élevés. Dans les formes d'exécution préférées de l'invention, le composant SDICL est une diode à deux bornes; néanmoins, l'invention est 20 aussi bien applicable à des composants à effet de transfert d'électrons à dopage sous-critique comportant trois bornes ou davantage, bien que la plupart des composants à bornes multiples jusqu'ici connus fussent essentiellement des dispositifs destinés à la production d'oscillations de Gunn, l'électrode ou les électrodes de commande 25 étant utilisées pour régler la fréquence d'oscillation, changer la forme d'onde du courant ou déclencher les oscillations. Par ailleurs, le terme "diode" est utilisé dans le sens d'un composant à deux bornes selon le mode usuel dans la technique, et non dans un sens plus limité pour désigner une diode à état solide de type classique, à 50 jonction redresseuse. Comme on l'a déjà mentionné, la fig. 1 illustre en même temps, à des fins de comparaison et d'opposition, la distribution du champ électrique en fonction de la longueur pour un certain nombre d'autres composants à effet de transfert d'électrons antérieurement con-55 nus, composants que l'on passera brièvement en revue pour mettre en évidence les avantages du nouveau composant SDICL et pour clarifier la signification des termes "produit nQL sous-critique" et "champ électrique de seuil" à l'intention des pèrsonnes qui ne sont pas spécialisées dans ce domaine. Par opposition au composant SDICL, 40 dans lequel le champ électrique est maintenu au-dessus de la valeur 70 07305 9 2032477 de seuil dans la quasi-totalité de la région active, de façon à obtenir une stabilité et un rendement plus élevés, ces composants antérieurement connus ont une distribution du champ électrique qui est au-dessous du seuil sur une partie importante, sinon principale, 5 de la région active. Tous ces dispositifs antérieurs utilisent des contacts "ohmiques" qui injectent un grand nombre de porteurs de charge dans la région cathodique, ce qui maintient le champ de l'extrémité cathode du composant au-dessous du seuil. Oes dispositifs sont inefficaces en tant qu1amplificateurs de micro-ondes ou d'os-10 cillateurs, car les parties des composants se situant au-dessous du champ de seuil n'engendrent pas de puissance de micro-ondes. la diode ordinaire à dopage sous-critique, ayant un produit nQL sous-critique, est un composant amplificateur et est stable, mais les trois composants à effet de transfert d'électrons à dopage critique 15 qui ont un produit nQL surcritique et fonctionnent respectivement dans le mode Gunn, le mode ISA et le mode hybride, sont très instables et ne sont ordinairement utilisés que comme oscillateurs à micro-ondes. Sur la fig. 1, la distribution du champ électrique pour les trois composants à dopage critique est indiquée à un instant 20 arbitraire considéré après la formation d'un domaine de champ élevé "■âr" (dans le cas du fonctionnement en mode Gunn), d'un domaine de champ élevé "non mûr" (dans le cas du fonctionnement en mode hybride) ou d'une couche d'accumulation d'électrons (dans le cas du mode de « fonctionnement LSA), ces différentes perturbations de champ s'éten-25 dant sur la longueur de la diode ou une partie de celle-ci en direction de l'électrode anodique. Comme on l'a souligné, les composants à effet de transfert d'électrons sont ordinairement faits d'arséniure de gallium de type n et le produit n L critique pour ce maté— 12 2 riau semi-conducteur est égal à 10 /cm . Des composants à effet de 30 transfert d'électrons peuvent être également formés à partir d'autres matériaux semi-conducteurs ayant un comportement électronique similaire, par exemple le tellurure de cadmium, le phasphure d'in-dium ou le séléniure de zinc et, étant donné que le produit nQL critique au-dessus duquel une oscillation de Gunn apparaît peut être 35 considéré comme constituant aine propriété physique du matériau semiconducteur particulier, le produit nQL critique pour ces matériaux est évidemment différent de celui de l'arséniure de gallium. On reviendra brièvement, en se référant à la fig. 2, sur la signification du champ électrique de seuil pour des matériaux 40 semi-conducteurs à effet de transfert d'électrons en général. 70 07305 10 2032477 Lorsqu'une tension continue de polarisation est appliquée à une diode à effet de transfert d'électrons, le composant suit tout d'abord pratiquement la loi d'Ohm et le courant augmente en proportion directe du champ électrique lorsque celui-ci s'élève. Ainsi, le seg-5 ment des courbes entre le point a d'origine et la cime de la courbe au point b, où se produit la vitesse maximale des porteurs de charge, est pratiquement linéaire, la vitesse des porteurs de charge étant proportionnelle au champ électrique. Entre le point b, correspondant à la vitesse maximale des porteurs de charge, et le point c, 10 les écarts par rapport à la loi d'Ohm commencent à être notables et le composant est entré dans la région de résistance différentielle négative. Dans la région de résistance négative, la vitesse des porteurs de charge décroît, même si le champ électrique augmente, et cela provient de l'effet de transfert d'électrons dont il a été 15 question ci-dessus, certains électrons étant transférés à partir de vallées de bande de conduction à mobilité élevée vers des vallées à mobilité inférieure où ils ont une part moins active dans le processus de conduction. Le champ électrique au point c est appelé couramment champ de seuil E^ et c'est la valeur minimale du champ 20 moyen appliqué pour laquelle se produit l'effet de transfert d'électrons. Lorsque le matériau semi-conducteur est dopé à un niveau critique, c'est la valeur minimale du champ moyen appliqué à laquelle on observe l'effet Gunn. Le champ électrique de polarisation doit évidemment dépasser le champ de seuil et 11 se sitae dans la 25 région de résistance négative de la courbe 21, c'est-à-dire sur le segment de la courbe compris généralement entre Xes points c et d. Pour l'arséniure de gallium de type n, le champ de seuil est égal à 5000 Y/cm environ. Avant d'en venir à l'étude de la structure du composant à do-50 page sous-critique à limitation du courant d'injection et des différentes manières par lesquelles il peut être réalisé, il y a lieu de décrire des circuits à micro-ondes typiques dans lesquels -une diode SDICL est utilisée à titre d'amplificateur et d'oscillateur. La fig. 3 illustre une façon d'utiliser la diode SDICL comme amplificateur 35 de micro-ondes, et il est bien entendu qu'il existe de nombreuses autres formes de circuit possibles. Une tension continue positive de polarisation, supérieure à la tension de seuil, est appliquée à l'une des bornes d'une diode SDICL 22 par l'intermédiaire d'une bobine de blocage HP 51, par une source appropriée de potentiel élec-40 trique telle qu'une pile 25, les autres bornes de la diode 22 et de 70 07305 n 2032477 la source 23 étant mises à la terre. Un signal à la fréquence des micro-ondes, engendré par une source appropriée de signaux 24, est appliqué, par l'intermédiaire d'un, circulateur à trois orifices 25 et d'un condensateur 26 de "blocage du courant continu, à la borne 5 anodique de la diode SDICL 22. Le signal amplifié est renvoyé à travers le condensateur de blocage 26 et le circulateur 25 pour être délivré à la charge 27, ici représentée sous la forme d'une charge résistante mise à la terre. Afin que la diode SDICL fonctionne comme Tin oscillateur à micro-ondes, il est nécessaire de fournir une 10 réaction positive. Un circuit oscillateur à micro-ondes typique est représenté sur la fig. 4. Dans ce circuit, qui ne constitue encore qu'un exemple parmi de nombreuses formes possibles, la diode SDICL 22 est montée dans une cavité résonnante 28 qui comporte un iris de couplage 29 à l'une de ses extrémités et un bloc mobile de raccour-15 cissement 30 à son autre extrémité. La pile 23 applique une tension positive de polarisation supérieure au seuil à l'anode de la diode 22 par l'intermédiaire d'une bobine de blocage HP 31, l'électrode cathodique de la diode étant connectée à une paroi de la cavité résonnante 28. Selon un mode connu, la cavité résonnante 28 fournit 20 une réaction positive à la diode 22 et le signal oscillant de sortie est couplé à un conducteur de sortie par l'intermédiaire de l'iris de couplage 29. Il a déjà été expliqué que la mise en oeuvre du composant à effet de transfert d'électrons à dopage sous-critique à limitation 25 de courant d'injection, en tant qu'amplificateur de micro-ondes à stabilité et rendement élevés, nécessite qu'il soit utilisé un matériau semi-conducteur approprié, ayant tm produit nQL sous-critique, et que la structure cathodique soit agencée de telle sorte que le champ électrique au niveau ou à proximité de la cathode soit 30 maintenu à une valeur supérieure au champ de seuil du matériau semiconducteur utilisé. Par un choix convenable du produit nQL sous-critique et du niveau de courant des porteurs de charge injectés, il est possible de maintenir pratiquement uniforme le champ dans la diode. Le contrôle de dopage de composants à effet de transfert 35 d'électrons pour obtenir le produit nQL voulu est déjà connu en soi. En bref, il consiste à choisir la quantité d'impureté donatrice ajoutée au matériau semi-conducteur au cours de sa fabrication pour doper celui-ci au degré voulu. Un matériau semi-conducteur à région active qui présente tm produit nQL sous-critique est ordinairement 40 qualifié de "légèrement dopé". Un élément essentiel de l'invention 70 07305 12 2032477 se réduit alors à différentes méthodes de construction de la structure cathodique pour que le champ électrique puisse être maintenu att-dessus du seuil dans le semi-conducteur de la région active à ptireduit n L sous-critique. G'est-à-dire qiie si des dispositions 5 sont; prises pour que la structure cathodique ait une conductivité relativement faible, le champ électrique atteint la valeur de seuil à très courte distance à l'intérieur de la structure, et le champ dans le corps semi-conducteur actif est supérieur au seuil en tout point. À la limite du contact convenablement bloquant, qui sera dé-10 crit ci-après, l'épaisseur de la structure cathodique est nulle Les paragraphes suivants donnent une description de différents moyens pour maintenir un champ électrique élevé voulu au niveau ou^ à proximité de la cathode, moyens qui peuvent être appliqués isolément ou en combinaison. On a essayé d'être complet, mais il est 15 bien entendu que lrinvention ne se limite pas à ces structures cathodiques particulières ou à d'autres moyens qui sont mentionnés explicitement. La limitation du courant d'injection peut être obtenue par quatre méthodes générales, à savoir la création de limitations du potentiel par barrière cathodique, le développement de li-20 mitations de charge spatiale, l'utilisation d'un rayonnement extérieur et le profilage géométrique du matériau semi-conducteur de la région active, soit physiquement, soit d'une autre manière équivalente au point de vue électronique. Les différents modèles ou formes d'exécution de l'invention, représentés sur les fig. 5 à 14, 25 maintiennent le champ électrique à une valeur pratiquement constante au-dessus du champ de seuil, au niveau ou à proximité de la cathode et sur le reste de la longueur de la région active, selon ce qui est représenté de façon idéale sur la fig. 1. Le champ électrique n'a pas besoin d'avoir la même valeur ou approximativement la 30 même valeur après s'être élevé au-dessus du seuil, mais il est beaucoup plus proche de l'uniformité que la distribution du champ dans les composants antérieurement connus (cf0 fig. 1). Dans les différentes formes d'exécution de l'invention qui vont être décrites, il est préférable que le semi-conducteur massif 35 actif soit uniformément dopé, c'est-à-dire qu'il ait une densité de porteurs de charge à l'équilibre nQ pratiquement constante, et qxi'il ait une surface constante en coupe transversale. La longueur L du. semi-conducteur massif actif dépend de la gamme de fréquences voulue et peut être déterminée dans chaque cas particulier, de fa-40 çon connue en soi dans la technique. Le produit nQL d'un échantillon 70 07305 13 2032477 donné doit être évidemment inférieur à la valeur critique et, étant donné qu'il existe des limitations théoriques en ce qui concerne la limite inférieure, il y a lieu de choisir une valeur dans la gamme de deux ordres de puissance par rapport à la valeur critique. Ainsi, 5 pour l'arséniure de gallium de type n, dont le produit ni critique 12 2 est égal à 10 /cm , le produit n L sera typiquement compris entre 10 p o 10 et 10 /cm . De même, le champ électrique interne produit dans la région active est supérieur au champ de seuil dont la -valeur dépend du matériau semi-conducteur et, ordinairement, sa limite supé-10 rieure est déterminée par la résistance au claquage du matériau. Une gamme comprise entre 2 et 3 fois la valeur de seuil est appropriée. Pour l'arséniure de gallium, de type n, dont le champ électrique de seuil est égal à 3000 V/cm, le champ électrique interne produit sera typiquement compris entre 3000 et 9000 V/cm. Après avoir 15 déterminé de façon connue le niveau du courant d'injection nécessaire pour maintenir une intensité de champ électrique choisie, les dimensions physiques et les caractéristiques des différents éléments des structures cathodiques ci-après décrites peuvent être établies par des techniques connues qui ne seront donc pas exposées en dé-20 tail. En outre, les dimensions exactes, les niveaux de dopage, etc. dans chaque cas particulier dépendent des caractéristiques physiques de la région active, lesquelles dépendent à leur tour de la gamme de fréquences recherchée. Il suffira donc d'indiquer au spécialiste des dimensions, des niveaux de dopage, des températures, 25 etc. relatifs ou approximatifs, car ces renseignements lui permettront de mettre en pratique l'invention. lie contrôle du courant d'électrons injectés par le contact cathodique peut être réalisé en établissant une barrière d'énergie électronique dans le contact-cathodique, lequel sera alors "non 30 ohmique" ou bloqueur d'électrons, la barrière d'énergie idéale laisse passer un courant d'électrons qui est juste assez important pour maintenir un champ électrique élevé au voisinage de la cathode. Quatre structures cathodiques appropriées qui entrent dans cette catégorie vont être étudiées. 35 1°) La structure d'une forme d'exécution de la diode SDICL comportant toi contact cathodique qui correspond à ce type de mécanisme est illustrée par la fig. 5. La région active de la diode est constituée par un corps 34 en un matériau semi-conducteur approprié à effet de transfert d'électrons à dopage sous-critique, par exem-40 pie un arséniure de gallium de type n, un phosphure d'indium, un 70 07305 14 2032477 tellurure de cadmium ou un séléniure de zinc» De préférence, le corps semi-conducteur actif 34 est composé d'arséniure de gallium de type n à dopage uniforme sous-critique, présentant une forme pa-rallélépipédique rectangulaire à section transversale carrée ou 5 rectangulaire pratiquement constante. Bien que cela ne soit pas toujours mentionné explicitement, les autres formes d'exécution de l'invention ont elles aussi une région active dont la forme géométrique est semblable. Un contact métallique 35 est formé à l'extrémité anode du corps 34 par des procédés connus dans la technique. 10 Dans le cas le plus courant, le contact anodique 35 est un contact "ohmique" et il peut être par exemple formé d'étain qui diffuse dans la région anodique, donnant lieu à un fort dopage de cette extrémité du corps 34. D'autre part, selon cette forme d'exécution de l'invention, le contact cathodique 36 est un contact métallique bloqueur 15 d'électrons ou "non ohmique" (l'or pouvant être cité comme exemple d'un tel métal) qui est appliqué à l'extrémité cathode du corps semi-conducteur 34 par un procédé approprié donnant lieu à la barrière de potentiel électronique ci-après décrite. Au besoin, tin fil conducteur peut être connecté au contact cathodique 36 pour consti-20 tuer une borne négative 37, tandis qu'un autre fil conducteur semblable est fixé au contact d'anode 35 et constitue la borne positive 38. La barrière d'énergie électronique qui limite l'injection de porteurs de charge dans le corps semi-conducteur 34 est plus préci-25 sèment une barrière de potentiel métal-semi-conducteur ayant une hauteur 0 appropriée, connue dans la technique sous le nom de barrière de Schottky. La théorie de Sehottky concernant le contact entre un métal et un semi-conducteur établit qu'une couche d'arrêt physique est formée à l'interface métal-semi-conducteur, devant être 30 distinguée des couches d'arrêt chimiques qui peuvent résulter d'une préparation chimique. La barrière d'énergie électronique est formée lorsque le travail d'extraction effectif du semi-conducteur, défini comme la différence d'énergie entre son niveau de Fermi et le niveau de vide, est inférieur au travail d'extraction effectif du mé-35 tal, de sorte que des électrons passent du semi-conducteur au métal jusqu'à ce que les niveaux de Fermi soient appariés, lorsque ces corps sont mis en contact mutuel. Le niveau de Fermi, Ef, est défini comme l'énergie à laquelle la probabilité d'occupation d'un niveau d'énergie atteint 50 fo0 Etant donné que des électrons sont 40 perdus, pour le métal, celui-ci acquiert une charge superficielle 70 07305 15 2032477 négative et le semi-conducteur se charge positivement sur l'étendue d'une région qui pénètre dans le semi-conducteur et qui est appelée couche d'appauvrissement de Schottky0 La barrière de potentiel qui est créée à l'interface est représentée schématiquement dans le dia-5 gramme d'énergie de la fig. 6a, dans lequel l'énergie en électrons-volts a été portée en fonction de la distance en abscisse, la ligne continue à droite de l'interface représentant le bas de la bande de conduction. La valeur 0 de la barrière est influencée par les états de l'interface au niveau du contact métal-semi-conducteur (non eaa-10 visagés ci-dessus), de même que par le travail d'extraction du métal et l'affinité du semi-conducteur pour les électrons. Il existe donc ordinairement des divergences entre les résultats théoriques et expérimentaux, et 1 * appariement de matériaux pour obtenir une valeur voulue de 0 doit être fait empiriquement en fonction du semi-15 conducteur utilisé et des impuretés de la masse et de la surface. Cela est particulièrement vrai pour un système métal-GaÀs. Une étude générale, contenant des résultats expérimentaux, sur la barrière de surface métal-semi-conducteur selon la théorie de Schottky est proposée dans le Journal of Applied Physics. vol. 47, n° 6, p. 2458-20 2467, mai 1966, dans un article de G-eppert, Cowley et Dore intitulé "Corrélation entre la hauteur de la barrière métal-semi-conducteur et le travail d'extraction du métal - Effet des états de surface". Pour une barrière d'énergie métal-semi-conducteur de hauteur 0, le courant maximal d'électrons J qui passe par-dessus la barrière 25 sous l'influence d'un champ électrique E au niveau de la barrière est donné par l'expression : J = AI2 exp /"(j$V^0)/kT_7 où A, k et sont des constantes et T est la température. (Pour des renseignements complémentaires sur cette équation, on se réfé-30 rera à l'article de l'un des inventeurs, W. Tantraporn, intitulé "Courant d'électrons à travers des sandwich.es métal-isolant-métal", publié dans Solid State Electronics, vol. 7, p. 81-91, 1964). De cette équation, on peut déduire que lorsque 0 est petit, par exemple dans un contact "ohmique" ou non bloqueur, E = 0 peut toujours 35 permettre une large limite en ce qui concerne la densité de courant. Par contre, si 0 est grand, J sera très petit à une température donnée et E devra être très grand au niveau de la barrière pour permettre un niveau voulu de la densité de courant. Pour une valeur appropriée de 0 (0,28 - 0,05 eV pour l'arséniure de gallium), la den-40 sité de courant J et la valeur de champ E se situent dans la gamme 70 07305 2032477 intéressante. Un tel contact permet que le champ électrique dans l'arséniure de gallium soit supérieur au seuil d'un "bout à l'autre du corps 34 de la diode et, par conséquent, c'est la disposition qui fournit le meilleur rendement. 5 2°} Une deuxième forme de la structure de contact limitant le courant comprend une "barrière d'énergie électronique métal-semi-conducteur de hauteur 0 appropriée, comme décrit ci-dessus en (1), mais cette barrière est obtenue par des techniques de diffusion ou d'implantation d'ions. Afin de faire comprendre cette structure, on 10 expliquera le procédé ordinairement utilisé pour* obtenir un contact "ohmi que" par la technique de diffusion, en référence au diagramme d'énergie reproduit sur la fig. 6b. lorsque le contact de métal cathodique est du type donneur, par exemple en étain, un chauffage de ce contact à des températures relativement élevées de l'ordre de 15 400°C pendant plusieurs secondes provoque la diffusion de l'impureté- donatrice dans la région cathodique, de sorte qu'il se forme une région n fortement dopée au voisinage immédiat de l'interface. La région d'arrêt est suffisamment mince pour que les électrons puissent la traverser par le mécanisme connu sous le nom d'effet de 20 tunnel quantique, au lieu de passer par-dessus la hauteur de la barrière, lorsqu'une faible tension positive est fournie à l'anode, il y a Tin nombre suffisant d'électrons dans la bande de conduction au voisinage de la cathode pour qu'un courant à limitation de charge spatiale soit produit ou, selon le niveau de conductivité de la 25 masse, un courant ohmique. Comme il ressort de la courbe de la fig. 6b, il y a une barrière cathodique très étroite, essentiellement transparente, et un tel contact est donc appelé contact "ohmique", étant donné qu'une chute de tension négligeable sera requise au voisinage de la cathode. La longueur des flèches est représentative 30 de la grandeur du courant à différents niveaux d'énergie. Par contre, un contact d'étain sur l'arséniure de gallium donne lieu à un contact bloquant (de même que sur la fig. 6a) avant le traitement thermique et il y a un flux de courant négligeable. Il existe des cas intermédiaires entre ces deux extrêmes, comme celui qui est il-35 lustré par la fig. 6c. On y parvient en chauffant le contact d'é-tain à une température inférieure à celle qui est nécessaire pour produire un contact "ohmique", dans la gamme de 200 à 350°C environ, pendant un temps plus long (plusieurs minutes), ce qui aboutit à une densité de donneurs diffusés dans la région cathodique du corps 40 semi-conducteur actif 34. La structure de la diode SDICL qui présente 70 07305 17 2032477 ce mécanisme cathodique est la même que celle qui est représentée sur la fig. 5. De cette manière, l'épaisseur de la "barrière est comprise dans la gamme où la composante "thermionique" de la densité de courant par-dessus la barrière est du même ordre que la den-5 sité par effet de tunnel à travers la barrière à des énergies inférieures à la hauteur de la barrière. La composante de tunnel en fonction de l'énergie est inférieure aux énergies inférieures et devient négligeable à des énergies inférieures à un niveau indiqué par 0e;£f sur la fig. 6c. En d'autres termes, seuls les électrons 10 qui ont des énergies supérieures à 0eff peuvent quitter le métal et pénétrer dans la bande de conduction du semi-conducteur. Le 0Q^ désiré pour l'arséniure de gallium est égal à 0,28 - 0,05 eY. Ainsi, bien que la hauteur maximale de barrière 0 soit trop haute pour permettre une composante de courant "thermionique" suffisamment 15 grande, la forme de la barrière amène celle-ci à se comporter comme s'il y avait plutôt une hauteur de barrière 0eff* Selon l'article de Tantrapora précité, une telle barrière 0eff virtuelle fournit également une densité de courant qui est moins dépendante de la température et moins dépendante du champ que dans le cas de la bar-20 rière métal-semi-conducteur précédemment décrit ci-dessus dans le paragraphe (1). La barrière intermédiaire désirée de la fig. 6c peut être fabriquée soit par des cycles contrôlés de recuit du contact, soit par des techniques d'implantation d'ions» 3°) Une autre forme d'exécution de l'invention réalise une 25 barrière d'énergie électronique au moyen d'une structure cathodique comprenant une jonction p-n à polarisation inverse. Pour ce type de diode SDICL (voir fig. 7), le corps semi-conducteur 34 de la région active est de préférence formé d'arséniure de gallium de type n, à dopage sous-critique uniforme, comportant un contact métallique 30 d'anode "ohmique" 35 approprié. La structure cathodique est constituée par un contact métallique de cathode "ohmique" 39, formé par exemple de zinc qui est recuit pour constituer une mince région d'arséniure de gallium de type p. En général, la région mince de semi-conducteur de type p qui fait partie de la structure cathodi-35 que est du même matériau que le corps semi-conducteur 34 de type n qui constitue la région active., Une telle jonction p-n est polarisée en sens inverse pendant le fonctionnement de la diode SDICL. Le courant à travers une jonction p-n polarisée en sens inverse exige un champ notable, dont le niveau dépend de la manière par laquelle 40 les porteurs de charge donneurs et accepteurs sont distribués dans 70 07305 18 2032477 la région de la jonction, ainsi que de l'épaisseur de la région p. Four le composant considéré, 1*épaisseur de la région p est de quelques microns et la concentration en trous de la région p est du même ordre que la concentration d'électrons dans la région n, c'est-15 —3 5 à-dire 10 cm ou moins, la région cathodique 40 de type p et la région active 34 de type n peuvent être fabriquées, si on le désire, en une opération continue par des procédés classiques déjà connus dans la technique, par tin contrôle convenable du dopage. Par exemple, la fabrication d'une telle jonction destinée à servir' de limi-10 teur d'injection pour un niveau de courant approprié peut être effectuée par croissance épitaxique ou par des techniques de diffusion d'impureté» 4°) Cas d'une structure cathodique contenant une hétéro-jonction, c'est-à-dire une jonction à l'interface de deux semi-conduc-15 ' teurs différents, pour fournir une barrière d'énergie électronique de hauteur prédéterminée-. Il sera opportun d'étudier en même temps d'autres types d'hétéro-jonction qui ne comportent pas de barrière électronique, mais possèdent plutôt une faible mobilité d'électrons et provoquent une élévation rapide du champ électrique, de sorte 20 qu'il serait plus approprié de les classer avec la méthode générale suivante de réalisation d'une structure cathodique pour une diode SDICL par le développement de limitations de charge spatiale, la structure physique de ce modèle de diode SDICL est représentée sur la fig. 8. En ce qui concerne cette forme d'exécution, la structure 25 cathodique est constituée par le contact méta].lique "ohmique" 39 appliqué sur une région 41 formée d'un-semi-conducteur étranger approprié ou différent, ou d'un isolant. Pour une région active 34 en arséniure de gallium de type n, la région cathodique 41 peut être par exemple en germanium ou en phosphure dp gallium, ou en un iso-30 lant tel qu'une pellicule très mince de matière plastique polyméri-sée. Des hétéro-jonctions peuvent être fabriquées par des techniques classiques; par exemple, l'arséniure de gallium de la région active peut être formé par croissance épitaxique sur un substrat semi-conducteur de germanium. 35 Les fig. 9a et 9b reproduisent respectivement les diagrammes d'énergie pour les deux cas où. la région cathodique 41, formée d'un semi-conducteur étranger ou d'un isolant, a un intervalle entre bandes plus petit que la région active 34 et un intervalle entre bandes plus grand que la région active 34, en supposant qu'il exis-40 te, un contact "ohmique" à gauche. Dans ces diagrammes d'énergie, qui 70 07305 19 2032477 sont des diagrammes classiques tracés en fonction de la distance dans la direction longitudinale de la diode, les tracés supérieurs représentent le bas de la bande de conduction, tandis que les tracés inférieurs représentent le haut de la bande de valence. Sur la 5 fig. 9a, les électrons rencontrent line barrière d'énergie à l'interface de la région cathodique 41 avec le corps semi-conducteur actif 34. Telle est la situation de 1'hétéro-jonction germanium-arsé-niure de gallium, la hauteur appropriée de la barrière étant égale à 0,28 ± 0,05 eV. Etant donné qu'il y a une limitation de l'injec-10 tion de porteurs de charge, un champ élevé au-dessus du champ de seuil est atteint. Sur la fig. 9b, la région cathodique 41 est en un matériau à large intervalle entre bandes. Gomme on peut l'observer sur le diagramme d'énergie, il n'y a pas de barrière, mais la région 41 a maintenant des caractéristiques de faible mobilité des 15 électrons et donne lieu à une élévation rapide de l'intensité du champ électrique. Ce type d'hétéro-jonction se produit lorsque du phosphure de gallium est dopé au même niveau que l'arséniure de gallium massif. Dans d'autres cas, la région 41 peut être une pellicule très mince d'une matière plastique polymérisée. 20 Comme on l'a indiqué, la structure cathodique dont les rap ports d'énergie sont illustrés schématiquement sur la fig. 9b peut être classée avec la méthode suivante de construction d'une structure cathodique pour la diode SDICL, dans laquelle la limitation recherchée du courant d'injection est réalisée par le développement 25 de limitations de charge spatiale» 5°) Le courant d'injection est limité par l'introduction, dans la structure cathodique, d'une région semi-conductrice intrinsèque, très légèrement dopée ou compensée, qui effectue une limitation de charge spatiale du courant d'électrons transporté à travers elle. 30 En se référant à la fig. 10, le contact métallique de cathode 39 est ordinairement un contact "ohmique", mais il n'y a aucune limitation en ce qui concerne cet élément de la structure cathodique, sauf qu'il doit assurer une alimentation copieuse en électrons. La région semi-conductrice intrinsèque ou légèrement dopée 44 a une 35 longueur "d" qui est avantageusement petite par rapport à la longueur de la région active 34. La couche intrinsèque 44 a pour effet d'élever le champ électrique interne aux environs du champ critique, en une distance qui est courte par rapport à la longueur de la diode. Gela résulte d'une combinaison d'effets de chute de El et de 40 charge spatiale. Etant donné que la région intrinsèque 44 dissipe 70 07305 20 2032477 de la puissance, la chute de tension moyenne à travers elle doit être maintenue aussi faible que possible. Pour réduire à un minimum l'effet de la puissance d'entrée totale qui est perdue, la couche intrinsèque ne doit pas dépasser 10 $ de l'épaisseur de la région 5 active 34. Un semi-conducteur intrinsèque est un semi-conducteur qui, par définition, nfa pratiquement pas d'impureté électriquement active ou de défauts internes, bien que certaines paires électrons-trous soient créées par l'énergie thermique à la température ambiante. Le matériau a une résistance propre élevée et il y a peu d'é-10 lectrons libres qui puissent intervenir dans le processus de conduction. Sur la fig. 11, la concentration d'électrons à l'équilibre nQ est tracée en fonction de la distance le long de la diode SDICL de la fig. 10. Le contact métallique de cathode est limité grosso modo par la ligne 45, tandis que la région intrinsèque est limitée par 15 la ligne 46. A l'intérieur du contact métallique de cathode, nQ est élevé afin de fournir un flux copieux d'électrons et il s'abaisse à une valeur presque nulle dans la région intrinsèque, sur la distance "d"0 La concentration d'électrons à l'équilibre nQ s'élève ensuite et est pratiquement constante dans la région active sur une 20 distance L à une valeur qui est choisie inférieure au niveau critique du produit nQL0 Au contact métallique d'anode, nQ s'élève brusquement. Le champ électrique interne E dans la couche intrinsèque s'élève, à partir de presque zéro, à la valeur du champ de seuil à l'extrémité cathode de la région active et il s'élève ensuite 25 plus lentement sur la distance L vers le contact anodique» La couche "intrinsèque" 44 est faite d'un semi-conducteur intrinsèque pur, d'un semi-conducteur légèrement dopé ou d'un semiconducteur compensé. Un semi-conducteur compensé est un semi-conduc-teur qui contient à la fois des impuretés du type donneur et du ty-30 pe accepteur, mais dans lequel l'effet net est voisin de zéro. En supposant que le corps semi-conducteur 34 soit en arséniure de gallium de type n à dopage sous-critique, la méthode la plus directe pour produire ce type de structure de diode consiste à fabriquer la couche "intrinsèque" à partir d'arséniure de gallium. La formation 35 de la couche "intrinsèque" peut être la phase finale de la croissance épitaxique de l'arséniure de gallium de type n0 On peut y parvenir en introduisant une chute brusque de température du substrat au cours de la croissance épitaxique en phase vapeur ou par dopage au fer. La région, "•intrinsèque" peut être également formée par des 40 techniques; d1 implantation d'ions, par exemple en bombardant 70 07305 21 2032477 l'arséniure de gallium, avec des ions hydrogène ayant une énergie supérieure à 50 000 eY. La grandeur des courants ohmiques et des courants de charge spatiale est directement proportionnelle à la mobilité locale des 5 électrons. Il est donc avantageux de réduire la mobilité des électrons de la couche "intrinsèque" à une valeur aussi basse que possible. Il en résultera une maximisation du taux de croissance du champ électrique avec la distance à travers la couche "intrinsèque". Avec l'arséniure de gallium, on peut y parvenir en introduisant autant 10 qu'il est possible d'impuretés ionisées compensées, situées profondément. Une seconde méthode consiste à former la couche "intrinsèque" 44 à partir d'un matériau à faible mobilité d'électrons, par exemple le phosphure de gallium. Cela nécessite évidemment la fabrication d'une hétéro-structure. Le phosphure de gallium peut être 15 déposé par croissance épitaxique sur l'arséniure de gallium. Les avantages d'une structure cathodique contenant une couche "intrinsèque" résident dans le fait qu'elle est sans complication et est ordinairement moins sensible à la température que les structures cathodiques qui créent une barrière d'énergie électronique. 20 Certes, la couche "intrinsèque" dissipe de la puissance, mais cet effet peut être réduit à un minimum, selon ce qui a été indiqué. La limitation du courant d'injection, réalisée par la projection d'un rayonnement extérieur sur la structure cathodique, va maintenant être étudiée. 25 6°) La structure cathodique contient une barrière de contact bloquant normalement les électrons et la densité des porteurs de charge est réglée extérieurement par des quanta de lumière incidente. La structure cathodique pour cette forme d'exécution de la diode SDICL (fig. 12) comprend un contact de cathode 47 qui laisse pas-30 ser les photons, bloque les électrons et recueille les trous en cas de polarisation négative. De préférence, le contact de cathode 47 est en un matériau semi-transparent, tel que l'oxyde d'étain, et la source d'énergie lumineuse incidente est dirigée perpendiculairement à la face de la cathode. A titre de source lumineuse appropriée, 35 on peut utiliser un laser à jonction de semi-eonducteur ou un laser à gaz et le contact d'oxyde d1étain aura typiquement une épaisseur de 1 à 10 microns. Lorsque des photons d'énergie hV sont absorbés par l'arséniure de gallium immédiatement au-dessous du contact cathodique 47, des paires électrons-trous sont engendrées à un taux 40 qui dépend de l'intensité lumineuse. Du fait de la polarité normale 70 07305 22 2032477 de la polarisation de la diode, les électrons ainsi engendrés sont accélérés dans la masse d'arséniure de gallium et participent au processus d'amplification dynamique du signal, tandis que les trous sont recueillis par le contact 47. La fourniture d'électrons et, 5 par suite, le courant de la diode sont déterminés par l'intensité rayonnante de la source extérieure, étant donné que le contact cathodique 47 est agencé de façon à "bloquer les électrons, c'est-à-dire qu'il injecte un courant négligeable d'électrons lorsqu'il est polarisé négativement. Ainsi, le champ électrique à proximité de 10 l'extrémité cathode de la région active 34 peut être maintenu à un niveau supérieur au champ de seuil critique pour l'établissement d'une résistance négative. Le contact cathodique 47 peut consister également en un contact métallique bloqueur d'électrons, perfore mécaniquement. Typi-15 quement, le contact métallique bloqueur d'électrons comporte une matrice de trous semblable à celle qui est représentée sur la fig. 14b ou il est muni d'un grand nombre de fentes oblongues parallèles. Dans ce cas, le flux rayonnant est dirigé à travers les petites ouvertures ou perforations dans le contact métallique pour frapper 20 l'arséniure de gallium au voisinage immédiat du contact de métal. Des paires électrons-trous sont engendrées tandis que les photons incidents sont absorbés par l'arséniure de gallium. Les électrons résultants sont balayés dans la région active de la masse du semiconducteur et, en même temps, les trous sont attirés vers le con-25 tact métallique par la polarisation de la diode, de même que dans le cas de l'électrode transparente ci-dessus décrite. 7°) La densité de porteurs de charge dans la structure cathodique peut être également contrôlée extérieurement par un réglage de la température de service. Pour une diode préparée d'après les 30 méthodes (1) et (2) précitées et contenant une barrière d'énergie électronique à la cathode, de hauteur 0, telle que représentée sur les fig. 6a et 6c, la valeur de 0 peut être trop basse et, dans ces conditions, la cathode délivre un flux d'électrons trop grand pour maintenir un champ voulu. Si la température de service est 35 abaissée, le flux est réduit et le champ voulu à la cathode peut être maintenu au niveau de courant requis à une température convenablement choisie. L'inverse reste valable, en ce sens que si 0 est trop élevé, le composant peut être mis en service à une température plus élevée, bien qu'une telle température puisse ne pas être sou-40 haitable pour d'autres considérations relatives au composant. 70 07305 23 2032477 Les méthodes suivantes pour la réalisation d'une limitation du courant d'injection dans une diode SDICL sont mises en oeuvre en donnant à la diode une section variable, par un profilage géométrique ou d'une manière équivalente au point de vue électronique. 5 8°) Le champ électrique moyen peut être élevé nettement au-des sus du champ de seuil sur la majeurè partie de la longueur du composant SDICL si l'on donne une section transversale variable à la diode. Comme on peut le voir sur la fig. 13a, le corps semi-conducteur actif 50 a une surface en coupe relativement petite à proximi-10 té du contact de cathode métallique 51 et sa section est variable, de sorte que, sa surface en coupe transversale augmente progressivement jusqu'au contact métallique d'anode 52. Typiquement, le corps semi-conducteur actif 50 est un tronc de pyramide à quatre côtés et, en conséquence, a une section transversale carrée, ou il est conique 15 et présente une section circulaire. Mais il peut aussi avoir d'autres formes, pourvu que la surface à la cathode soit beaucoup plus petite que la surface à l'anode. Etant donné que le courant électrique total à travers le composant est constant, le fait de rendre la section de la région cathodique plus petite que la section de la 20 région anodique augmente l'intensité moyenne du champ électrique au voisinage de la cathode. C'est-à-dire que la région cathodique aura une densité de courant plus élevée qu'une diode ayant une surface uniforme en coupe transversale et, par conséquent, elle supportera un champ électrique plus élevé. Comme on peut l'observer sur la fig. 25 13b, l'intensité du champ électrique s'élève rapidement et est supérieure à celle du champ de seuil E^ sur la majeure partie de la longueur L de la région active de la diode. La surface en coupe de la cathode peut s'abaisser à 1/100 de la surface en coupe de l'anode. Les sections variables peuvent être 30 introduites par différents genres d'usinage mécanique, par exemple par meulage, par sciage, par usinage, par décharge électrique ou par ultra-sons, ou par corrosion chimique d'une diode dont les régions cathodique et anodique sont convenablement masquées. Les contacts cathodique et anodique 51 et 52 sont de préférence des con-35 tacts "ohmiques". On notera que les oscillateurs à effet de transfert d'électrons qui ont une section variable sont parfois appelés diodes de Shoji (cf. Proceedings of the IEEE, vol. 55, n° 130, 1967), mais la diode conique de Shoji est dopée au niveau critique et exploitée dans le mode à domaine de champ élevé d'oscillation de G-unn. 40 9°) Au lieu de faire varier la section du semi-conducteur massif 70 07305 24 2032477 actif, la méthode électroniquement équivalente pour limiter le courant d'injection consiste à "bloquer une partie de la surface de la cathode et à utiliser un ou plusieurs sites cathodiques émetteurs d'électrons, dont la surface totale est petite en comparaison de la 5 section transversale et de la longueur du semi-conducteur massif. Si le composant est convenablement construit, le taux d'élévation de l'intensité du champ électrique en fonction de la distance de la cathode sera alors plusieurs fois plus rapide que le taux d'élévation du champ pour la cathode usuelle du type à limitation de char-10 ge spatiale. On obtient de bons résultats lorsque la surface émet-trice d'électrons de la cathode correspond à 20 ^ environ de la surface de l'anode. Sous sa forme préférée, la structure cathodique (voir fig. 14a et 14b) comporte une matrice de points de cathode "ohmiques" émetteurs d'électrons, de dimensions égales, obtenus par 15 exemple en déposant une couche isolante 53 sur le cristal 34 de la région active, en formant une matrice de trous 54 dans la couche isolante, puis en déposant un contact métallique "ohmique" 39 pour remplir les trous et revêtir la surface extérieure de la couche isolante. Seule la partie du contact "ohmique" 39 qui prend contact. 20 avec le semi-conducteur massif actif à travers la matrice de trous 54 injecte des porteurs de charge dans la région active. En conséquence, il y a une convergence forcée des lignes de densité du courant électrique, pour accroître l'intensité du champ électrique. L'effet intégré des multiples points cathodiques est d'élever le 25 champ électrique interne de la diode au-dessus de la valeur critique sur une distance relativement courte. La couche isolante 53 peut être en bioxyde de silicium, en une substance photorésistante, en une pellicule de matière plastique ou autre matériau approprié. Pour former les trous 54, la pellicule 30 isolante peut être déposée sur des particules minuscules de masquage réparties uniformément sur la surface cathodique, ces particules étant ensuite éliminées pour laisser des trous uniformes de diamètre inférieur au micron. Des techniques classiques de photorésistance avec des pellicules de bioxyde de silicium donnent également 35 une résolution acceptable. Il est visible que la fabrication d'une telle structure cathodique "en gruyère" est peu compliquée et peut être réalisée à l'aide de techniques connues. Ce type de structure cathodique est une forme d'émetteurs parallèles multiples et, pour éviter qu'il se produise un claquage secondaire dû à l'emballement 40 thermique d'une unique zone émettrice, il peut être nécessaire de 70 07305 25 2032477 connecter une petite résistance en série avec chacun des points cathodiques. On peut y parvenir en réglant la résistance propre du contact métallique 39. Outre les avantages précédemment mentionnés des composants à 5 résistance négative à dopage sous-critique à limitation du courant d'injection considérés individuellement, un nombre quelconque de diodes SDIG1 peuvent être connectées en série, en parallèle ou en série-parallèle et utilisées sans la nécessité de circuits additionnels. Lorsqu'on connecte plusieurs diodes SDICL en série ou en série-10 parallèle, la puissance de sortie de micro-ondes est augmentée. La fig. 15 représente une disposition possible en série-parallèle pour obtenir des niveaux supérieurs de puissance de micro-ondes et comprenant trois chaînes de quatre diodes chacune, ces chaînes étant connectées mutuellement en rapport de circuit parallèle. Autre il-15 lustration de l'utilisation d'un ensemble de diodes.SDICL pour obtenir des niveaux de puissance plus élevés, les circuits amplificateur et oscillateur des fig. 3 et 4 peuvent être construits en utilisant plusieurs diodes en série ou en série-parallèle. Il y a lieu de noter qu'aucun circuit additionnel n'est nécessaire pour le 20 fonctionnement d'un ensemble de diodes SDICL et, notamment, qu'il n'y a pas lieu d'utiliser un circuit résonnant extérieur# En résumé, un amplificateur de micro-ondes à état solide à rendement élevé est basé sur le principe qu'en limitant les porteurs de charge injectés à travers le plan cathodique dans la ré-25 gion active de matériau semi-conducteur à effet de transfert d'électrons à dopage sous-critique, il est possible de maintenir la distribution du champ électrique approximativement uniforme au-des-sus du champ de seuil sur la majeure partie de la longueur du composant, lorsque celui-ci est polarisé au-dessus de la taision de 30 seuil, ce qui permet de tirer pleinement profit des caractéristiques de mobilité différentielle négative. Le composant à effet de transfert d'électrons à dopage sous-critique à limitation du courant d'injection (SDICL) est stable par nature et il constitue un composant actif à bon rendement, indépendant de circuits extérieurs, 35 lorsqu'il est monté en tant qu'amplificateur ou, avec une réaction positive, en tant qu'oscillateur. Le nouvel amplificateur à résistance négative ici décrit possède un produit gain-largeur de bande élevé. Bien que sa dépendance de la fréquence sait en rapport avec le temps de transit, sa gamme de fréquences n'est pas limitée par 40 le temps de transit et, par suite, elle est déterminée par le 70 07305 26 2032477 projetage du circuit, plutôt que par une quelconque limitation de fréquence du composant. Etant donné que les composants SDICL peuvent être connectés en toute combinaison série-parallèle et que chaque composant individuel a un rendement élevé, on peut obtenir 5 des niveaux supérieurs de puissance de micro-ondes. Il est du reste bien entendu que les modes de réalisation de l'invention qui ont été décrits ci-dessus, en référence aux dessins annexés, ont été donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif et que de nombreuses modifications peuvent être apportées 10 sans que l'on s'écarte pour cela du cadre de la présente invention. 70 07305 27 2032477 BEVBTOICÀTIONS 1 - Composant amplificateur à effet de transfert d'électrons à état solide, comprenant au moins une structure anodique, une structure cathodique et, entre celles-ci, un corps actif de matériau se- 5 mi-conducteur massif qui présente l'effet de transfert d'électrons lorsqu'il est polarisé au-dessus du champ électrique de seuil et qui a un produit nQl inférieur à la valeur critique nécessaire pour entretenir une oscillation de Gunn, nQ étant la densité de porteurs de charge à l'équilibre et L étant la longueur du corps semi-conduc- 10 teur, caractérisé par le fait que sont prévus des moyens pour limiter l'injection de porteurs de charge dans le corps semi-conducteur actif à une valeur préfixée, choisie de façon à maintenir au-dessus du champ électrique de seuil le champ au voisinage de la structure cathodique et sur le reste de la longueur du corps semi-conducteur 15 actif. 2 - Composant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps actif de matériau semi-conducteur massif est uniformément dopé et que le produit nQl et le niveau de porteurs de charge injectés sont choisis de façon à maintenir un champ électri- 20 que pratiquement uniforme au-dessus du champ électrique de seuil sur la majeure partie de la longueur du corps semi-conducteur actif» 3 - Composant selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le matériau semi-conducteur massif actif est choisi dans le groupe constitué par l'arséniure de gallium de type n, le tellu- 25 rure de cadmium, le phosphure d'indium et le séléniure de zinc» 4 - Composant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens pour limiter l'injection de porteurs de charge dans le corps semi-conducteur actif à une valeur préfixée consistent à donner une section variable au corps semi-conducteur actif, 30 de telle sorte qu'il présente une petite surface en coupe transversale au voisinage de la structure cathodique et une grande surface en coupe transversale au voisinage de la structure anodique» 5 - Composant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens pour limiter l'injection de porteurs de charge 35 dans le corps semi-conducteur actif à une valeur voulue consistent à apporter une amélioration à la structure de contact. 6 - Composant selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la structure de contact comprend un contact métallique bloqueur d'électrons, fabriqué de façon à constituer une barrière 40 d'énergie électronique d'une hauteur choisie dans la région de 70 07305 28 2032477 1'interface métal-semi-conducteur. 7 - Composant selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la structure de contact comprend un contact qui n'est pas bloquant à l'égard des électrons, et une région du même matériau se- 5 mi-conducteur que le corps semi-conducteur actif, mais de type de conductivité opposé, de façon à former une jonction p-n à polarisation inverse qui limite le flux de courant injecté à un niveau voulu» 8 - Composant selon la revendication 5, caractérisé par le 10 fait que la structure cathodique comprend un contact qui n'est pas bloquant à l'égard des électrons et une région en un semi-conducteur étranger ou en un isolant, formant une barrière d'énergie de hauteur choisie pour les porteurs de charge. 9 - Composant selon la revendication 5, caractérisé par le 15 fait que la structure de contact comprend un contact ohmique et une région en un semi-conducteur intrinsèque, légèrement dopé ou compensé, ayant une épaisseur choisie, pour effectuer une limitation voulue de charge spatiale du courant d'injection. 10 - Composant selon la revendication 5, caractérisé par le 20 fait que la structure de contact comprend une région en un matériau semi-conducteur qui est pratiquement bloquant à l'égard du flux de courant en l'absence de rayonnement extérieur incident, et des moyens pour appliquer un rayonnement extérieur sur la structure cathodique afin d'engendrer des paires électrons-trous de grandeur 25 suffisante pour fournir un flux voulu de porteurs de charge engendrés au corps semi-conducteur actif. 11 - Composant selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la structure de contact comprend un contact qui est non bloquant à l'égard des électrons et n'établit une connexion élec- 30 trique qu'avec une partie choisie de la surface cathodique du corps semi-conducteur actif. 12 - Composant amplificateur de micro-ondes à état solide, comprenant : une structure anodique, une structure cathodique et, entre celles-ci, un corps actif en un matériau semi-conducteur mas- 35 sif qui présente l'effet de transfert d'électrons lorsqu'il est polarisé au-dessus du champ de seuil et qui présente un dopage uniforme sous-critique, avec un produit nQL inférieur à la valeur critique nécessaire pour entretenir une oscillation de G-unn, nQ étant la densité de porteurs de charge à l'équilibre et L étant la lon-40 gueiar du corps semi-conducteur actif, ce composant étant caractérisé. 70 07305 29 2032477 par le fait que la structure cathodique limite l'injection d'électrons dans le corps semi-conducteur actif à une valeur voulue, de façon à maintenir au-dessus du champ électrique de seuil à une valeur pratiquement uniforme le champ électrique au voisinage de la 5 structure cathodique et sur le reste de la longueur du corps semiconducteur actif. 13 - Composant selon la revendication 12, caractérisé en outre par le fait qu'il s'agit d'une diode comportant un corps semi-conducteur actif composé d'arséniure de gallium de type n. 10 14 - Composant selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la structure cathodique comporte des moyens pour établir ■une barrière d'énergie électronique de hauteur choisie, afin de limiter l'injection de porteurs de charge électronique dans le corps semi-conducteur actif. 15 15 - Composant selon la revendication 14, caractérisé par le fait que la structure cathodique comprend un contact métallique formé par diffusion, bloquant les électrons. 16 - Composant selon la revendication 14, caractérisé par le fait que la structure cathodique comprend un contact bloquant les 20 électrons, formé par une technique d'implantation d'ions. 17 - Composant selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la structure cathodique comprend des moyens pour effectuer une limitation de charge spatiale du flux de courant injecté à un niveau voulu, de façon à"limiter l'injection de porteurs de charge 25 dans le corps semi-conducteur actif. 18 - Composant selon la revendication 17, caractérisé par le fait que la structure cathodique comprend un contact métallique qui délivre un flux abondant d'électrons, et une région de semi-conducteur intrinsèque ou légèrement dopé, ayant une épaisseur choisie. 30 19 - Composant selon la revendication 17, caractérisé par le fait que la structure cathodique comprend un contact métallique qui délivre un flux abondant d'électrons, et une région de semi-conducteur compensé ayant une épaisseur choisie. 20 - Composant selon la revendication 12, caractérisé par le 35 fait que la structure cathodique réagit à un rayonnement extérieur pour engendrer le nombre voulu de porteurs de charge d'injection, et des moyens sont prévus pour appliquer le rayonnement extérieur à la structure cathodique. 21 - Composant selon la revendication 12, caractérisé par le 40 fait que la structure cathodique comprend des moyens pour effectuer 70 07305 30 2032477 une compression de densité du courant d'injection. 22 - Composant selon la revendication 21, caractérisé par le fait que la structure cathodique comprend un contact métallique qui n'est pas bloquant à l'égard des électrons, et une couche électri- 5 quement isolanté présentant line matrice de trous, interposée entre le contact métallique et le corps semi-conducteur actif et formant, au niveau des trous, un grand nombre de surfaces cathodiques émet-trices d'électrons. 23 - Circuit amplificateur de micro-ondes à état solide, carac-10 térisé par le fait que sont prévus ï un composant à effet de transfert d'électrons, à dopage sous-critique, à limitation du courant d'injection, comprenant au moins une structure anodique,' une structure cathodique et, entre celles-ci, un corps actif de matériau se-mi-conducteur massif ayant Tin produit nQL inférieur à la valeur 15 critique nécessaire poux entretenir une oscillation de Gunn, nQ étant la densité de porteurs de charge à l'équilibre et L étant la longueur du corps semi-conducteur actif, ce circuit étant caractérisé par une disposition physique qui limite l'injection de porteurs de charge à une valeur voulue afin de maintenir au-dessus du champ 20 électrique de seuil le champ électrique au voisinage de la structure cathodique et sur le reste de la longueur du corps semi-conduc-teur actif; par des moyens pour polariser le composant à effet de transfert d'électrons avec une tension unj directionnelle qui produit un champ électrique au-dessus du seuil; par des moyens pour 25 appliquer à ce composant à effet de transfert d'électrons un signal électrique destiné à être amplifié; et par des moyens de sortie pour recevoir le signal amplifié* .24 - Circuit selon la revendication 23, caractérisé par le fait que le composant à effet de transfert d'électrons, à dopage 30 sous-critique, à limitation du courant d'injection est une diode comportant -un corps semi-conducteur actif formé d'arséniure de gallium de type n uniformément dopé, le produit nQl et le niveau de porteurs de charge injectés étant choisis de façon-à maintenir un champ électrique pratiquement uniforme au-dessus du champ électri-35 que de seuil sur la majeure partie de la longueur du. corps semiconducteur actif» 25 - Circuit selon la revendication 23, caractérisé par le fait que sont prévus des moyens de réaction positive, de telle sorte que le circuit remplisse la fonction d'un circuit oscillant. 40 26 - Circuit selon la revendication 23, caractérisé par le 70 07305 31 2032477 fait que sont prévus plusieurs composants à effet de transfert d'é lectrons, à dopage sous-critique, à limitation du courant d'injection, connectés en rapport de série ou de série-parallèle pour atteindre des niveaux supérieurs de puissance.