Brevet FR2037158A1 — publié le 19701231

La présente invention se rapporte aux montages de commutation à semiconducteurs, et plus particulièrement à la commutation et à la commande de lampes à semiconducteurs comportant une jonction M, émettrice de lumière. On a déjà proposé d'utiliser un réseau Je lampes à semiconducteurs pour de 5 la représentation ou de l'affichage alphanumérique ou autre, utilisant un matériau semiconducteur approprié pour une longueur d'onde d'émission de lumière requise, selon que l'affichage doit être dans la gamme de fréquences correspondant à la lumière visible ou en dehors de cette gamme, pour activer un film exposé ou un autre milieu répondant à la lumière incidente provenant du réseau. 10 Des réseaux de lampes à semiconducteurs présentent un grand nombre d'avan tages tels qu'un faible encombrement utile pour l'identification des trames de film par exemple et sa solidité d'une manière générale. La présente invention a pour objet de proposer une lampe ou un réseau de lampes à semiconducteurs, avec une mémoire intrinsèque. 15 Selon l'invention, le montage de commutation à semiconducteurs est caracté risé en ce qu'il comporte : - une première jonction Hî répondant à l'application d'une tension de polarisation directe pour émettre de la lumière 1 - une diode MRî, en combinaison avec la première jonction HT, formant un dis-20 positif à semiconducteurs à deux bornes, la diode répondant à l'application d'une impulsion de tension directe plus grande qu'une tension de polarisation directe, pour commuter et faire passer la diode d'un état à haute impédance vers un état à basse impédance j - des moyens pour appliquer la tension de polarisation directe au dispositif 25 semiconducteur - des moyens pour appliquer une impulsion de tension directe à travers le dispositif semiconducteur. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée ci--dessous. Bien entendu la description et le dessin ne sont donnés 30 qu'à titre Indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure 1 représente, d'une manière schématique, un exemple de réalisation du montage de commutation, selon l'invention. La figure 2 est une vue en plan d'un réseau de lampes individuelles à semiconducteurs, selon l'invention. 35 La figure p est une vue en coupe du réseau de la figure 2, prise selon la ligne A-A. La figure 4 est une vue en plan d'un premier exemple de réalisation d'un réseau de lampes en circuits intégrés, La figure 5 représente un exemple de réalisation des couches de la figure 4. 40 La figure 6 représente un autre exemple réalisation des couches de la ORIGINAL* 70 07541 2037158 2 figure 4. La figure J est une vue en plan dfun second exemple de réalisation d'un réseau de lampes en circuits intégrés. La figure 8 représente une première disposition des couches de la figure J, 5 La figure 9 représente une autre disposition des couches de la figure J, Tel que cela est représenté sur la figure 1/ une lampe à semiconducteurs comprend une jonction 1 émettrice de lumière, disposée entre mie région 2 de type P, et une région 3 de type N, réalisée en matériau semiconducteur approprié, tel que de l'arséniure de gallium, du phosphure de gallium ou, de préférence, 10 du phosphure arséniure de gallium. La lampe est connectée en série avec un dispositif de commutation 4, à semiconducteurs (par exemple en silicium) HTRJ, à deux, bornes. Une première source de tension, représentée par une batterie 5* est connectée aux bornes du montage série avec une résistance limitatrice de courant 6. 15 On connecte également aux bornes du montage série, tout moyen approprié 7, tel Qu'un condensateur pouvant être déchargé dans chaque direction à travers le montage série, pour appliquer une impulsion de tension soit positive, soit négative« aux bornes du montage série. Il y a une seconde source de tension représentée par une batterie 3, pour les moyens 7> afin de charger le condensateur. 20 Le dispositif 4 à quatre couches est connu en soi et est capable d'adopter l'une des deux conditions (ou états) d'impédance, c'est-à-dire 1?. condition de blocage direct à haute impédance, et la condition conductrice à faible impédance. Le dispositif se commute, c'est-à-dire passe de l'état à haute impédance à l'état à faible impédance pour une tension de "commutation" directe donnée. 25 Dans le circuit représenté sur la figure 1, le dispositif 4 présente une tension de ''commutation" directe (par exemple 12 volts) supérieure à la tension (par exemple 6 volts) de la batterie-5• supposant que le dispositif h doit être dans l'état à impédance élevée, avec une tension de polarisation directe provenant de la batterie 5, il n'y pas de lumiere émise par la jonction 1, c'est-30 à-uire que la lampe est éteinte. Pour allumer la lampe, le dispositif 4 doit passer dans l'état à faible impédance. Ceci est fait en appliquant une impulsion de tension directe aux bornes du montage série, au moins égale à la tension de "commutation" directe. Avec une batterie 8, de 8 voltscommandant les- moyens- 7 pour engendrer 35 une impulsion positive à £ volts, on engendrer une- -impulsion de tension directe de 14 volts, faisant passer le dispositif 4 dans son état à faible impédance, et la jonction 1 émet de la lumière. L* "allumage" est effectué par une impulsion, de durée de l'ordre de 50 nanosecondes. Comme cela est représenté, l'impulsion de tension directe est;appliquée au-dispositif de commutation 4, par l'in-40 termédiaire de la jonction 1 polarisée - en .direct, h faible impédance. L'impul- bad original 70 07541 2037158 5 sion de tension directe peut être appliquée directement au dispositif 4, mais comme la jonction 1 est dans une condition à faible impédance, il n'y a effectivement pas de différence quand on incorpore la jonction rlans le circuit à impulsions et ceci rend possible la commutation des réseaux de lampes ; comme 5 cela est décrit plus loin; Pour éteindre maintenant maintenant la lampe, le dispositif 4 doit être commuté dans son état à haute impédance. Ceci peut être obtenu soit en élevant la tension de polarisation, soit en envoyant des impulsions de polarité inverse, A chaque fois, l'effet consiste à amener le courant s'écoulant dans le disposi-10 tif 4 à tomber au-dessous de la valeur du courant d'entretier nécessaire pour maintenir le dispositif 4 dans son état conducteur. L'envoi d'impulsions de po-larigfcion inverse est obtenu en amenant les moyens 7 à délivrer une impulsion négative, engendrant une impulsion utile de - 2 volts, Les figures 2 et 3 représentant un réseau de lampes discrètes 10, à semi-15 conducteurs, dans un montage typique de coordonnées 5x7» sur une base électriquement conductrice 11. Chaque lampe 10 comprend me diode 12, k jonction IN émettant de la lumière, encapsulée dans une lentille 13. La région de type P de la diode est connectée, par l'intermédiaire d'une.lamelle conductrice 14, vers un boîtier extérieur conducteur 15, inséré dans la base 11 j et la région 20 de type N est fixée par conduction électrique à un barrean conducteur 16, isolé du boîtier extérieur 15 par une entretoise 17. En série, avec chaque lampe, se trouve un dispositif de commutation 18, à semiconducteurs MHI, et une résistance individuelle 19 limitatrice de courant. Une tension de polarisation directe (6 volts) provenant de la batterie 20 est 25 appliquée aux bornes de toutes les lampes 10, par l'intermédiaire des résistances individuelles lg, limitatrices de courant^et des dispositifs de commutation FNHI 18. Des moyens 21, destinés à délivrer des impulsions de tension positive ou négative, à une tension égale à la tension de la batterie 22, sont connectés à toute combinaison souhaitée des dispositifs de commutation 18, par l'intenné-30 diaire de moyens de sélection appropriés 23, selon la représentation souhaitée que l'on veut obtenir par m allumage sélectif des lampes. L'allumage et l'extinction des lampes sont assurés comme décrit précédemment, toute représentation chçisie étant conservée jusqu'à ce qu'on modifie par une a première extinction due/des impulsions de polarisation inverse, soit tous les 35 commutateurs et toutes les lampes, soit seulement les lampes et les commutateurs qui ne sont pas nécessaires dans la nouvelle représentation, et ensuite on envoie des impulsions directes, soit à toutes les lampes et commutateurs requis pour la nouvelle représentation, soit à certaines lampes et certains commutateurs additionnels requis pour la nouvelle représentation.. 4o La figure 4 représente un réseau du type à circuits intégrés, se présentant 70 07541 2037158 4 sous la forme 'l'une structure monolithique sur un substrat 40:en silicium, de type N (figure 5), sur laquelle sont formées des couches successives de matériau semiconducteur, selon des techniques bien établies. Les couches 4l, 42 et -\o sont, respectivement, des couches en silicium, de type P, N et P ; 44 est une couche métallique en contact, oinnique avec la couche 43 et avec une couche 45 de phosphure arséniure de gallium, de type ÎI. Une jonction 46 émettrice de lumière est située entre la couche 45, de type N, et une couche 47, de type P, en phosphure arséniure de aailiua. Les couches 4l à 47 sont formées sur la totalité du substrat 40, et sont ensuite gravées, sciées ou abrasées par l'air, avec un dessin de rainures 48, disposées en coordonnées, s'étendant normalement jusqu'au substrat 40 et à l'intérieur de celui-ci. Une électrode métallique 4g est prévue sur la face inférieure du substrat 40 et une électrode métallique individuelle 5° sur* chacune des couches 47, de type P. Les électrodes 50 peuvent être pourvues de fils supplémentaires pour un montage va et vient, entre les couches de type P ou bien, comme ■ cela est représenté, être montées par évaporation, auquel cas les rainures 48 sont remplies de matériau isolant approprié, tel que de la résine époxyde. Le substrat 40, en silicium, de type N forme une cathode commune à tous les dispositifs de conwutation HTM du réseau, les couches restantes des dispositifs de commutation individuels étant les couches 4l, 42 et 43 dans le mesa correspondant. Les couches 45 et 47 forment une diode émettrice de lumière avec la jonction ET 46. ' Les électrodes 50 sont, chacune, ajourées au centre sur les diodes émettri-ces de lumière correspondantes afin de permettre à la lumière d'être vue, et sont amenées à l'un ou l'autre côté du réseau pour une connexion externe à la source de tension de polarisation directe de la batterie 51* par l'intermédiaire des résistances individuelles 52, liraitatrices de courant, qui peuvent être prévues de manière appropriée comme des pistes résistives sur une plaque de circuit imprimé, sur laquelle est monté le circuit de commande périphérique requis des moyens de sélection 53 et des moyens 54 pour envoyer des impulsions de tension directe ou inverse, selon toute combinaison souhaitée des dispositifs de commutation du réseau selon l'affichage ou la représentation souhaitée. Le fonctionnement de l'exemple de réalisation représenté sur les figures 4 et 5 est celui qui a été décrit pour le réseau des figures 2 et 3. Au lieu d'une réalisation physique séparée de la diode émettrice de lumière, connectée en série avec, son dispositif de commutation INRî, la jonction émettrice de lumière peut être formée comme l'une des jonctions d'extrémité du dispositif de commutation ïNRT. Ceci est représenté sur la figure 6, dans laquelle il y a un substrat semiconducteur 60, du type N, formant une cathode commune à tous les dispositifs de commutation. Un dessin en coordonnées, de rainures 61, sé- bad original 70 07541 2037158 5 pare les couches restantes sur le substrat, ces couches étant la couche 62, en matériau semiconducteur de type P, la couche 63, de type N, et la couche 6k, de type P. Le matériau semiconducteur global est le même, par exemple du phosphure de 5 gallium, de l'arséniure de gallium ou du phosphure arséniure de gallium. La jonction 65 émettrice de lumière, disposée entre les couches 63 et 64, constitue également la jonction d'anode du dispositif de commutation associera quatre couches, Le montage des électrodes métalliques 50 et k9, sur les surfaces supérieures et inférieures du réseau, le circuit do commande de commutation et son fonc-10 tionnement, sont ceux décrits en référence avec la figure 5. La figure 7 représente un réseau en circuit intégré, c'est-à-dire une structure monolithique sur un substrat isolant 70. Des couches successives, disposées sur la «Urface du substrat 70 sont (figure 8) constituées par une couche de contact métallique 71» une oottohe résistive 72» une couche en silicium de type 15 N,73» une couche en silicium, de type P*7^b une couche en silicium de type N, 75» une couche en silicium de type P, j6, une couche métallique 77 en contact ohmique avec la couche 76 et avec une couche 78, de type N en phosphure arséniure de gallium, et une couche 79> de type P, en phosphure. arséniure de gallium. La Jonction émettrice de lumière 80 est située entre les couches 78 et 75» 20 La fabrication des couches 71 à. 79 est obtenue en partant d'une plaque de silicium, de type N, correspondant à une couche 73 de silicium, de type N, en prévoyant une couche résistive 72 sur la totalité de la surface inférieure de la plaquette, et ensuite une couche de contact métallique 71. Les couches Jk à 79 sont prévues sur l'autre face de la plaquette. La plaquette préparée est ensuite 25 fixée de manière appropriée à la couche métallique Jl, sur un substrat isolant 70, et soumise à la gravure, au sciage ou l'abrasion par l'air, afin d'engendrer un dessin, en coordonnées, de rainures 8l, s'étendant normalement jusqu'au substrat 70. Les rainures "verticales" (figure 7) s'étendent à travers toutes les couches et à l'intérieur du substrat 70, tandis que les rainures 30 "horizontales" s'étendent seulement dans la couche de contact métallique 71* mais non à travers. Finalement, un réseau "horizontal" de bandes parallèles 82, de contact métallique, est prévu sur la surface supérieure de la structure rainurée, chaque bande 82 étant en contact ohmique avec les couches 79# «u type P, et lss inter- 35 connectant, ces couches s'étendant dans une diï*ection de coordonnées du réseau. Les bandes 82 sont ajourées sur la région émettrice de lumière. est çjui La couche métallique Jl/~maintenant divisée en bandes parallèles /sont chacune interconnectées avec les couches 73 en silicium, de type N, par l'intermédiaire des couches résistives individuelles J2. Les bandes parallèles 71 s'éten-kO dent dans l'autre direction de coordonnées £u réseau.- 70 07541 s 2037158 Entre chacun des points de croisement des coordonnées des bandes fl et 8l se trouvent une couche résistive connectée en série, un dispositif de comraitation Semiconducteur HïBÎ et une diode émettrice de lumière. La figure 9 illustre une structure en couches alternées, dans laquelle la 5 jonction émettrice de lumière forme la jonction d'anode du dispositif de commutation associé à quatre couches. Il y a un substrat isolant 90 sur lequel sont disposées des couches de contact métallique 91, des couches résistives 92, des couches de type H 93, des couches de type P 9^, des couches de type M 95# et des couches de type P 96. Il 10 y a des jonctions émettrices de lumière 97 entre les couches 95 et 96. Un dessin séparé en coordonnées, de rainures 9&/toutes les couches dans une direction de coordonnées et toutes les couches, à l'exception de la couche de contact métallique .91 dans l'autre direction de coordonnées. Il y a deux bandes métalliques parallèles supérieures sur le réseau, corane les bandes 81 pour la figure 7« 15 Eki se référant maintenant à la figure 7, le réseau est connecté à une bat terie 100 pour polariser en direct chacune des jonctions émettrices de lumière, par l'intermédiaire de leurs bandes de contact supérieures et inférieures 8l et 71 correspondantes. La commutation sélective des lampes du réseau s'effectue sur une base de 20 sélection, en coordonnées, et des moyens 101 pour envoyer les impulsions de tension directe ou inverse sont connectés, par l'intermédiaire des premiers moyens de sélection en coordonnées 102, aux. bandes 82, et par l'intermédiaire de seconds moyens de sélection en coordonnées 103, aux bandes 71» L'allumage ou l'extinction de toute combinaison de lampes, comme 25 cela est souhaité pour la représentation ou l'affichage particulier requis, est commandé par l'envoi d'impulsions appropriées dans l'état à impédance élevée ou à faible impédance des dispositifs de commutation KTHT associés du réseau. Les couches résistives individuelles 72 (ou Ç2) fonctionnent chacune conne résistances limitatriees de courant. Par suite de la structure au réseau, les couches 30 résistives individuelles fonctionnent comme des condensateurs pour le très court allumage ou ^extinction des impulsions de tension directe ou inverse, de telle sorte que les impulsions ne sont pas bloquées. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ai-dessus en relation avec un exemple particulier de réalisation, on comprendra clairement 35 que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. BAD originai* 70 07541 2037158 7 REVENDICATIONS 1. Montage de commutation à semiconducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte : - une première jonction M répondant à l'application d'une tension de polarisation directe* pour émettre de la lumière ; - une diode FNM an combinaison avec la première jonction IN formant un dispositif 3emioonductaur à deux bornas, la diode répondant à l'application d'une impulsion de tension directe, supérieure à une tension de polarisation directe, pour commuter ou faire passer la diode d'une condition ou état à haute impédance vers une condition ou état à faible impédance ; - des moyens pour appliquer la tension de polarisation directe au dispositif semiconducteur ; - des moyens pour appliquer l'impulsion de tension directe à travers le dispositif semiconducteur. 2. Montage de commutation à semiconducteurs, selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - le dispositif senicondcuteur répond à l'application d'une impulsion de tension inverse, destinée à faire passer la diode d'un état à faible impédance à un état a haute impédance ; - il comporte, en outre, des moyens pour appliquer l'impulsion do tension inverse à travers le dispositif semiconducteur ? - l'impulsion de tension directe et l'impulsion de tension inverse sont dérivées d'une source de tension commune. 5» Montage de commutation à semiconducteurs, selon la revendication 1, oarac térisé en ce qu'il comporte : - une résistance lirai catrice de courant pour la première jonction M ; - un réseau de dispositifs semiconducteurs ; - des moyens pour appliquer la tension de polarisation directe au réseau ; - des moyens pour appliquer, sélectivement, l'impulsion de tension à toute combinaison souhaitée de dispositifs semiconducteurs. 4. Montage de commutation à semiconducteurs, selon la revendication 3» caractérisé en ce que : - le réseau est formé comme une structure monolithique, à couches multiples, ayant un substrat commun ; - le substrat est un matériau semiconducteur de type N formant une cathode commune à tous les dispositifs semiconducteurs du réseau ; - chaque dispositif semiconducteur, sur le substrat, est séparé par un dessin ou diagramme de rainures disposées en coordonnées ; - une couche, de type P, de la première jonction PN de chaque dispositif est couplée à un conduteur individuel. 70 07541 2037158 8 5. Montage âe commutation à semiconducteurs, selon la revendication 4, caractérisé en ce que : - le substrat est Bn matériau isolant : - il comporte en outre : 5 - me première série de conducteurs parallèles communs chacun à une couche de type P de chacune des premières jonctions 2M s!étendant dans une direction de coordonnée :du réseau ; - une seconde série de conducteurs, connectés chacun à la cathode de chaque diode, s'étendant, dans une autre direction de coordonnée du réseau, 10 6, Montage de contnutation à semiconducteurs, salon la revendication 4, caractérisé en ce que le.s rainures sont remplies de matériau isolant. 7. Montage de commutation à semiconducteurs, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première jonction PN est formée entre une couche de type P et une couche de type N, en phosphure arséniure de gallium. 15 8. Montage de commutation h semiconducteurs, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première jonction RJ est connectée en série avec la diode MM. 9. Montage de commutation à semiconducteurs, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première jonction PN est formée à partir d'une jonction 20 d'extrémité de la diode MEN, la jonction d'extrémité étant adjacente à l'anode de la diode. BAD