Brevet FR2028336A1 — publié le 19701009

La présenta invention concerne las dispositifs semiconducteurs photosensibles. Plus particulièrement, alla concerna un transistor à affet ds champ à porta isolée photosensible. Les transistors à effet de champ à ports isolée sont connus et comprennent 5 en général deux régions d'un type de conductivité, telle que d8 type n séparé par une région de type p, ce qui forme deux jonctions p-n. On se référa aux deux régions du typa n, prises comme source et drain, et l'on applique un potentiel de polarisation à ces régions pour polariser dans le sens direct une jonction at polariser dans le sens inverse l'autre jonction, On commande la conduc-10 tivité entre la source et le drain en appliquant des signaux à une électrode da porta montée sur une surface du corps et shuntant la partie du corps séparant les électrodes de source et de drain, Les signaux de potentiel appliqués à 1! électrode de porte produisent des champs électriques qui modifiant les caractéristiques de conductivité d'au moins un canal dans le matériau séparant i5 la source et le drain et permettent l'écoulement du courant entre ces deux régions, Dans ce type de dispositif à effet de champ, on isole la porte de la surface du corps semiconducteur et, dans une autre forme, l'électrode de porte est connecté ohmiquement au corps semiconducteur. Les dispositifs à effet de champ 20 da ca damier type «jnt utilisés dans des applications photosensibles dans lesquelles une énergie radiante d'entrée modifie la conductivité da la région da porte et modifie l'écoulement du courant dans le circuit de porte. L'écoulement du courant dans le circuit de porte engendre un potentiel à l'électrode de porte qui, à son tour, produit un champ électrique qui est appliqué à la région 25 de porte. Le champ modifie la conductivité de la région de telle sorte qu'un écoulement de courant amplifié est obtenu entre la source et le drain. Un objet de la présente invention est d'obtenir un transistor à effet da champ photosensible du type à porte isolée ou l'on peut obtenir un gain de courant qui dépasse l'unité, 30 Un autre objet de la présente invention est d8 réaliser un dispositif à effet de champ selon l'objet précédent qui conduise avantageusement à des techniques d'intégration. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un dispositif à effet de champ selon les objets précédents où la fréquence de fonctionnement 35 et le gain de courant peuvent Stre calculés facilement. De façon générale, et selon l'invention, on réalise un circuit sensible à l'énergie radiante. Le circuit est formé d'un transistor à effet de champ à porte isolé du type comprenant un corps substrat réalisé à partir d'un matériau semiconducteur d'un type de conductivité et comprenant sur l'une de ses surfa-40 ces une première et une seconde régions écartées, l'une de l'autre d'un type 69 42837 2 2028336 de conductivité opposé audit typa de conductivité du substrat, pour former une première et une seconda jonctions, une électrode da porte montée au-deasus de la dite surface et qui an est isolée, l'électrode de porte shuntant las première at deuxième régions, Bt das moyens dans la circuit des jonctions pour polari-5 sar l'une des jonctions dans le sens directe at l'autre jonction dans le sens inverse afin da réaliser les électrodes da source et da drain du dispositif, □n utilise an outre des moyens pour obtenir un potentiel entre la source at la substrat afin da produire un potentiel source-substrat pour polariser le dispositif à l'état non conducteur, at ainsi lors de 1'incidence da l'énergie radian-10 ta sur las jonctions, la courant entra las électrodes de source et da drain ast suffisant pour donner un gain da courant supérieur à l'unité. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention rassortiront mieux da l'axposé qui suit fait en référence aux dessins annexés à ce taxte at qui représentent un mode da réalisation préféré de calla-ci. 15 Dana las dessins: La figure 1 représente sous forma partiellement schématique, et sous forme d'une coupe partielle un dispositif à effet de champ photosensible construit selon les principes de la présente invention; La figure 2 représente un schéma illustrant l'invention; at 20 La figure 3 représente une réalisation décrivant una utilisation du dispo sitif. En se référant à la figure 1, la structure physique du transistor à effet de champ qui est représentée est celle du corps semiconducteur et des électrodes associées pour un transistor à affet de champ connu. Une telle structura 25 ast formée d'un corps 10 d'un type de conductivité donné, en général de conductivité de -type p et duquel on se réfère communément comme un substrat. La corps 10 contient deux régions de type n 12 et 14 qui y ont été diffusées pour former respectivement deux jonctions p-n, 16 et 18, Cbs jonctions sa prolongent jusqu'à la surface du corps 10, 18 corps 10 étant recouvert avec une couche 30 isolante de dioxyde de silicium 20, dont on a supprimé certaines parties pour représenter plus clairement les connexions électriques du dispositif. On réalise des contacts ohmiques 22 et 24 respectivement avec les jonctions p-n 16 et 18. On disposa une électrode de porte 26 sur la partie de la couche de dioxyde de silicium 20 qui shunte les jonctions p-n 16 et 18. On remarque que la par-35 tie de la couche sur laquelle est montée l'électrode 26 est plus mince que la couche d'ensemble 20 comme on l'indique aux extrémités de la surface du corps 10. On relie le contact ohmique 24 à la borne positive d'une alimentation de potentiel source-drain vd at on relia la connexion ohmique 22 à la borna négative de l'alimentation v_,. Par conséquent, l'électrode 22 constitue l'électro- d 40 de de drain et 1'électrode 24 l'électrode de source. L'électrode da porta 26 69 42837 3 est connecté* à la région 12 par l'Intermédiaire d'un contact ohmique 26 et se trouve eu repos au potentiel de cette région. La lumière est incidente à la région source et pénitre, par l'intermédiaire de la région i2, jusqu'à la jonction 16, On peut considérer la région 12-16 canne étant une diode photo-sensi-5 Me, La borne positive d'une source d'alimentation de potentiel extérieur VQ est reliée à l'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance 32 et sa borne négative est reliée au substrat 10 par l'intermédiaire d'une résistance Rg. Le potentiel formé au travers du substrat polarise 1e transistor à effet 1Q de champ à l'étet non-conducteur du fait d'un potentiel de substrat (source à substrat) V^^dana la boucle source-substrat, Dana cette connexion, on doit remarquer que, avec un choix convenable de la résistivité du substrat, le dis? positif sa trouve normallament à l'état conducteur sans polarisation du substrat» On obtient normalement un tel état sur un dispositif à canal de type n. 15 Lorsque la lumière est appliquée respectivement aux jonctions de source-drain 18 et 16 le courant de polerlsatlon inverse net, qui est induit par l'injection de paires de troua d'électrons dans 1e substrat, augmente pour aboutir à une chuta de potentiel supplémentaire au travers de la résistance R^. La résistance est une résistance diffusée formée par la géométrie de la jonction 2a source, Si l'on appelle 61 la quantité dont est augmenté le courant d8 polarisation inverse net, alors en conséquence,-V & est abaissé d'une quantité ^l^aub courant source-drain aat augmenté d'une quantité ôi^. Par consé quent, le gain en courant S est alors calculé à. l'aide de la conductance de transfert g^, c'est à dire, «1, ®mRsub * 25 30 e - g!*-.*. eu *i On peut définir comme largeur de bande de gain du dispositif le gain en courant divisé par la temps de charge de la capacité source C(V^3, c'est à dire, «8r e8 "m eub „ 2*R . C(V»,3 2wC sud 0 35 11 est pratique d'utiliser la formule graduelle d'obtention d'un canal pour un calcul de g8, c'sst à dira, m fa Sd" Gtv)dv 69 42837 4 2028336 dana laquelle* igQ aat la courant sotirce-drain, 6 (V) aat la conductanca différentièle et est le potentiel source-drain, Pour la conductance de transfart du substrat, on ne doit considérer que 5 le terme de charge global pour le calcul de la conductance de transfert, où M est la mobilité da surface, w est la largeur de canal et L est la distance source-drainî 1° g* -g V 3V sub % yvi*•!» ^ Qg(V)dV 15 ofi alors g* ■ ^ p f91ï - Q toy 20 CCV) La capacité la long du canal ast par définition 1 3Qb(V) 9V QtV) 2 »,vwb,v 1 vl¥T 2 Vtpî— (2) 25 En conséquence c(V c(V . Q t~Q J cToT" pcvd) %bll VVsub ** 30 où C(V.) at CtOJ sont respectivement les capacités de source et de drain par d surface unité. Ainsi, 35 gm s _ 2w T y CtOJ Vd • "sut, • '♦ » v»b> '* * U' C31 pour l'approximation de u constant, La largeur de bande de gain (en courant) P/t est 40 — » ^ t 2*C w . _w ALir sub 'd "Vstib + 1-1 (4) 69 42837 5 2028336 où t • R C, le temps de réajustement-du potentiel de source 8 C » C(0)A A * la surface de jonction de la source. On doit remarquer que la largeur de bande de gain 8st inversement praparti i 5 tionnelle à la taille de la cellule, c'est à dire; — * — On considère le phénomène précédent en liaison avec la structure, c'est à dire, selon la cellule représentée dans la figura 2, Dans cette figura, dans la cellule 35, la zone de jonction de la source ast choisie comme étant un carré dont la dimension d'un côté est W et la longueur de canal L, On réalisa la résistance source-drain et la résistance Rg en série à l'aide d'une diffusion pau profonde de 2,000 ohms/carré. Une telle diffusion peu profonde permet la pénétration de la lumière incidente à la cellule jusqu'à la jonction au-dessous de la surface da t«lle sorte que des paires da trous d'électrons puissent être engendrés par radiation incidente, On utilise normalement un re-45 yltament anti-réflexion air les régions diffusées, telles que par exemple, du type utilisé dans les cellules photo-électriques à diode que l'on trouve dans le commerce. On suppose que les constantes suivantes et les conditions de fonctionnement ont cours pour la cellule représentée dana la figure 2, 2Q W « 0, 254 mm L » 0,013 mm A ■ 6, 45 mm2 10 2 CC03 « 24,5 10~6 iiyF/mm2 c « 3, 6 yuf 25 24 volta V ■ 10 volts s VT" 1,0 volt ! ? H « 800 volt-sec/cnr s w » 0,97 millimètres 30 p (substrat) » 2 ohm-cm p de feuille (diffusion) » 2000 ohm/carré. Appliquons l'équation (4) citée ci-dessus, s S, ■ 8 « 2,8 x 10 cycles/sec. 3 gain f, où f est la fréquence d8 2irC fonctionnement. 35 7 Supposons, par exemple, que l'on désire une fréquence de 10 cycles par - seconde. Cela fixe la valeur de R . s En conséquence; - » 2irR C f s 69 42837 6 2028336 Rg • 4.6K gain * 28 ■ g R em s g « 6100 ymhos Une sensibilité de °''^Satt^ un s^nal de 10|i watts donne 140 5 j»ampères (pour une radiation d'intervalle de bande) dans la boucle source-drain. Dans la disposition représentée dans la figure 3, une cellule 36 construite selon les principes de l'invention comprend une électrode de porte 36G à laquelle on applique des signaux pour commander l'écoulement du courant entre une borne de source 38 et une borne de drain 40, La cellule est polarisée à l'état 10 non conducteur par le potentiel extérieur VQ. On utilise la résistance séries Rg comme on l'a décrit ci-dessus, Une charge, à savoir le transistor à effet de champ 42, est connectée entre la cellule 36 et l'alimentation de potentiel Bt, Les transistors à effet de champ 44 et 46 constituent un circuit inverseur qui est commandé à l'aide de la combinaison de la cellule 36 et du transistor 15 à effet de champ de charge 42, Pour le fonctionnement du dispositif représenté dans la figure 3, le gain en courant net du système est de l'ordre de g8" gg R2 , où gg est la conduc- m m s m tance de transfert du circuit de commande, En résumé de ce qui précède, selon la présente invention, en fournissant 20 une alimentation extérieure dans la boucle source-substrat d'un transistor à effet de champ, on p e l ari es iîb dj^psg j.tif^ à- sgds - 'appauvris s^en t à l'état non conductaur à i'aida d'un potentiel de substrat (source-substrat), A l'aida dir cette disposition,on .peotutiliser un transistor à effet de champ comme photo-détecteur avec un gain supérieur à l'unité. On réalise la résistance Rgu{j par 25 une conception correcte de la jonction de source. La partie du transistor à effet de champ de la structure peut fournir le gain avec un très petit sacrifice de surface. Comme on le voit dans la figure 2, la partie de la surface totale occupée par le transistor à effet de champ est de 4L/W, En conséquence, l'invention conduit elle-même avantageusement aux techniques intégrées, 30 En outre, en rapport avec le dispositif de l'invention, on doit remarquer que l'on peut obtenir d'autres avantages d8 vitesse et de résistivité en réglant Rg. De plus, un ensemble peut Ôtre intégré sans aucun isolement supplémentaire et un signal est amplifié à un niveau utile sur un ensemble matriciel, ce qui réduit le coût des circuits spéciaux périphériques, et diminue aussi 35 les problèmes de tolérance de bruit. Bien que l'on ait décrit dans c8 qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques principales de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, 11 8st évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail sans sortir du cadre de ladite invention. 69 42837 7 2028336 BE¥BPtCAHOHS 1.- Circuit sensible à l'énergie radiante caractérisé en ce qu'il comprend: un translater à effet de champ à porte isolée, du type comprenant un corps subs-5 trat d'un matériau semiconducteur d'un type de conductivité, comportant sur l'une de ses surfaces une première et une seconde régions espacées l'une de l'autre et d'un type de conductivité opposé audit type de conductivité du substrat pour former une première et une seconde jonctions> une électrode de porte associée avec ledit corpsj 10 des moyens, situés dans un circuit comprenant les dites jonctions, pour polariser l'une des jonctions dans le sens direct et l'autre jonction dans le sens inverse afin de fournir respectivement des électrodes de source et de drainj dea moyens pour fournir un potentiel entre ladite source at ledit substrat afin de produire un potentiel source-substrat pour polariser ledit transistor 15 dans l'état non conducteur, de sorte que lors de l'incidence de l'énergie radiante sur les dites jonctions, le courant entre les dites électrodes de source et de drain ast d'une quantité suffisante pour fournir un gain de courant supérieur à l'unité, ^ 20 2.- Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'électrode de porte est "montée sur ladite surface et en est Isolée, ladite électrode de porte sNjntaoj^les^dite^pg^^ère^^deuxième régions j 3," Circuit selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'é-25 lectrode de porte est une électrode de porte à borne de commande fonctionnant pour réaliser des fonctions logiques en conjonction avec lçdite énergie ra~ dlante, 4,- Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une résistance 30 est insérée dans le circuit comprenant le substrat et le moyen de production de potentiel, pour déterminer la fréquence de fonctionnement et le gain de courant net dudit système, 5,- Circuit selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend un 35 canal sur ladite surface reliant les première et deuxième régions, ce canal une étant formé par/couche d'inversion, 6,- Circuit selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite électrode de porte est transparente à ladits énergie radiante, et cette énergie et est 40 radiante traverse l'électrode de porte/appliquée audit canal.