Brevet FR2013295A1 — publié le 19700327

- 1 - 2013295 L'invention se rapporte à un circuit résonnant à un semi-conducteur et plus particulièrement à un tel circuit réalisé de manière qu'un condensateur et des éléments inductifs forment partie intégrante de la surface du mime substrat seni-conducteur, 5 Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le circuit résonant comprend un substrat semi-conducteur à résistance négative sous un fort champ électrique, une électrode ohmique étant formée sur une partie d'un côté du substrat par une jonction réalisée par dépôt ou alliage et une autre électrode ohmique,réaliséssur la totalité de l'autre surface du substrat»for-10 mant une borne par une jonction similaire à la précédente, une couche isolante réalisée par apauvrissement sur un micron d'épaisseur et formée d'une jonction d'un oxyde, d'une ferrite ou. d'un semi-conducteur métallique, constituant la matière diélectrique d'un condensateur, un conducteur formé par dépôt d'or ou d'aluminium sur la couche isolante étant connecté à une extrémité à l'électrode 15 ohmique pour constituer un élément à inductance et une électrode d'un condensateur, et une borne formée sur la couche isolante étant connectée à l'autre extrémité du dit conducteur. Ainsi, l'invention permet de réaliser un circuit résonnant * semi-conducteur, extrêmement léger et de très faible encombrement, pouvant être produit en série et utilisé généralement comme oscillateur local 20 d'un poste récepteur de télévision ou d'un poste récepteur/télécommunication en très haute fréquence et même comme élément générateur d'ondes millimétriques en fornant partie d'un circuit ingégré. Selon une variante avantageuse de réalisation de l'invention, le circuit résonnant comprend un substrat semi-conducteur de résistance spécifique prér 2^ déterminée, comprenant une couche d'apauvrissement formée par une jonction PN et constituant la matière diélectrique d'un condensateur, une électrode ohmique formée sur une partie d'un côté du substrat par une jonction réalisée par diffusion ou alliage, une autre électrode ohmique réalisée sur la totalité de l'autre surface du substrat et formant une borne par une jonction similaire à la précédente un conducteur déposé sur ou formé par placage d'un métal sur le substrat et 30 fournissant un travail de sortie supérieur à celui du substrat semi-conducteur, l'une des extrémités du dit conducteur étant connectée avec l'électrode ohmique de manière à constituer un élément à inductance et une électrode du condensateur, et une borne électrique réalisée sur le substrat étant connectée à l'autre extrémité du conducteur, l'épaisseur de la couche d*apauvrissement pouvant être modifiée 35 P*r application d'une tension de polarisation continue entre les bornes. Ainsi, le circuit ré sonnant à semi-conducteur selon l'invention, extrêmement léger et de faible encombrement» pouvant être produit en série, a de plus une fréquence de 69 24619 _2. 2013295 résonance qui peut être commandée par application d'une tension continue de polarisation entre ses bornes de manière que le dispositif puisse être utilisé d® façon générale dans des circuits amplificateurs haute fréquence et de fréquence intermédiaire et comme oscillateur local d'un poste récepteur de télévision ou 5 cossue circuit résonant de divers dispositifs de télécommunication, le dispositif de l'invention étant utilisable de manière générale comme circuit destiné à fournir des impulsions, comme circuit bouchon, comme circuit de retard etc.., de divers appareils et dispositifs électroniques. L'invention a donc essentiellement pour objet un circuit résonnant à 10 semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat semi-conducteur, une électrode ohmique réalisée sur une partie d'un côté du substrat, une autre électrode ohmique réalisée sur la totalité de l'autre surface du substrat de manière à constituer une borne, une couche isolante réalisée sur un côté du substrat de manière à constituer une matière diélectrique d'un condensateur, un conducteur 15 formé sur la dite couche et dont une extrémité est connectée à l'électrode ohmique et une borne électrique réalisée sur la dite couche et connectée à l'autre extrémité du dit conducteur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention rassortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, et donnant à 20 titre explicatif mais nullement limitatif plusieurs modes de réalisation selon l'invention. Sur ces dessins, la figure 1 est une vue en plan d'un circuit résonnant à semi-conducteur selon l'invention; la figure 2 est une coupe transversale du circuit résonnant à semi-25 conducteur de la figure 1; la figure 3 est une même coupe transversale du circuit résonnant à serai-conducteur, illustrant schématiquement une connexion de ce dernier avec une source d'énergie électrique, le substrat semi-conducteur ayant une résistance négative sous un fort champ électrique; 30 la figure 4 est un graphique illustrant la relation du courant et de la tension du circuit illustré sur la figure 3; là figure 5 «st un schéma d'un circuit équivalent au circuit ^sonnant à semi-conducteur; la figure 6 est une vue en plan d'une variante de circuit résonnant à seœi-35 conducteur selon l'invention; la figure 7 est une coupe transversale du circuit résonnant à semiconducteur de la figure 6; . 69 24619 - 3 - 2013295 la figure 8 est un schéma du circuit équivalent au circuit résonnant à semi-conducteur de la figure 6; la figure 9 est un diagramme illustrant la relation entre la tension appliquée au circuit résonnant à demi-conducteur et sa fréquence de résonance; 5 la figure 10 est une coupe transversale schématique d'une autre variante de réalisation de circuit résonnant à semi-conducteur selon l'invention; la figure 11 est le schéma du circuit équivalent au circuit résonnant à semi-conducteur de la figure 10; la figure 12 est une coupe transversale schématique d'une autre 10 varisnte encore du circuit résonnant à semi-conducteur selon l'invention; et la figure 13 est le schéma du circuit équivalent au circuit résonnant à semi-conducteur de la figure 12. Les figures 1 et 2 illustrent un exemple de réalisation de circuit résonnant à semi-conducteur selon l'invention. Le circuit 10 comprend un substrat 15 semi-conducteur 11 à résistance négative sous un fort champ électrique, ce substrat étant un arséniure dé gallium; une électrode ohmique 12 formée sur une partie d'un côté du substrat 11 est constituée par une jonction réalisée par dépôt ou alliage, cette électrode étant en étain ou en indium; une autre électrode ohmique 13 formée sur la totalité de l'autre côté du substrat 11 cons-20 titue une borné réalisée par une jonction semblable à celle décrite en regard de l'électrode ohmique 12; une couche isolante 14-,constituée par une couche d'apau-Vrissement de 1 micron d'épaisseur et réalisée par jonction métallique d'un oxyde, d'une ferrite ou d'une matière semi-conductrice, forme une matière diélectrique d'un condensateur; un conducteur 15 en spirale ou constituant une piste, 25 formé par dépôt d'or ou d'aluminium, est connecté à une extrémité à l'électrode ohmique 12 de manière à constituer un élément à inductance et une électrode du condensateur et une borne électrique 16 formée sur la couche isolante 14 est connectée à l'autre extrémité du conducteur 15. La figure 3 illustre la connexion du circuit résonnant à semi-condutteur 30 avec une source de tension continue; si une source 18 applique une tension continue V sur une ligne 17 montée 'entre I* électrode 13 et la borne 16la composante continue du courant circulant dans -le circuit résonnant à semi-conducteur 10 change de la manière représentée sur la figure 4 qui est un graphique de la relation entre le courant-et la tension du- circuit de la figure 3. Le gra.phique de la 35 figure 4 montre que la tension Vc atteint un maximum lorsque le courant circulant dans le circuit résonnant à semi-conducteUr est maximal et varie en réponse à la distance séparant les électrodes ohmiques 12 et 13. Par exemple, si la 69 24619 - 4 - 2013295 distance séparant les électrodes 12 et 13 est de lQfeicrons, la tension Vc est approximativement de 3 volts. On comprend d'après le graphique que si une tension supérieure à Vc est appliquée au circuit résonnant 10 à semi-conducteur, lè dispositif 10 offre 5 une résistance négative à une circulation de courant alternatif. Ainsi, dans certaines conditions, le circuit équivalent,tel que schématisé sur la figure 5» amène le dispositif à former un circuit résonnant Cette condition est l'état dans lequel le dispositif 10 offre une résistance négative et dans lequel le champ électrique régnant dans le semi-condutteur doit rester uniforme. Il est 10 possible de conserver cet état uniforme en empêchant la formation d'un domaine à champ électrique haute tension dans le semi-conducteur. La formation d'un tel domaine à champ électrique haute tension dépend de la valeur de la charge électrique (n) et de la distance de propagation (l) de ce domaine et si le produit de la valeur de la charge électrique(n) et de la - 15 distance de propagation(l) du domaine est inférieur" à 10 cm" , il ne se forme pratiquement aucun domaine à champ électrique haute tension. En conséquence, si la résistance spécifique du semi-conducteur est suffisamment importante et si la distance séparant les électrodes ohmiques 12 et 13 est aussi réduite que possible, le dispositif 10 peut atteindre un état dans lequel il forme un T,es figures 6 et 7 illustrent une variante du circuit résonnant à semiconducteur des figures 1 et 2. Le dispositif 20 comprend un substrat semi-con-ducteur 21 à résistance spécifique prédéterminée et comportant une couche électrique 22 d'apauvrissement formée par une jonction PN de là manière décrite ci-25 dessous, de manière à constituer une matière diélectrique d'un condensateur; une électrode ohmique 23 est formée sur une partie d'un côté du substrat 21 par une jonction réalisée par diffusion ou alliage; une autre électrode ohmique 2k formée sur la totalité de l'autre surface du substrat 2l constitue une borne par une jonction similaire à celle décrite en regard de l'électrode ohmique 23; 30 un conducteur 25 en spirale ou sous forme d'une piste est déposé sur le substrat 21 ou réalisé sur ce dernier par placage#'un métal fournissant un travail de sortie X qui est supérieur au travail de sortie X du substrat semi-conducteur la S . . - 21; l'une des extrémités de ce conducteur est connectai à l'électrode ohmique 23 de manière à constituer un élément à inductance et une électrode du 'condensateur 35 et une borne électrique 26 réalisée sur le substrat est connectée à l'autre extrémité du conducteur 25. * 69 24619 2013295 La couche mentionnée d*apauvrissement 22 illustrée sur la figure 7 est produite par la jonction entre le semi-conducteur du substrat 21, le conducteur en spirale ou en piste 25 et la borne 26 connectée à une extrémité du conducteur 25, le substrat serai-conducteur 21 étant en conséquence isolé au cas où un cou-5 rant continu circule du conducteur 25 à la borne 26 et ces deux éléments formant ensemble un condensateur pour un courant alternatif. Donc, le circuit équivalent au circuit résonnant à semi-conducteur 20 devient un circuit résonnant du type à distribution constante tel qu'illustré sur la figure 8. La référence "L" de cette figure indique une inductance produite par la forme structurelle du 10 conducteur 25 illustré sur les figures 6 et 7,"C" indique une capacité^roduite par la combinaison de la couche d,apauvrissement 22 interposée entre la borne 26 du conducteur 25 et l'électrode ohmique 24-, ainsi que du conducteur 25 et de l'électrode ohmique 2k et ".R" indique la résistance du substrat semi-conducteur 21. 15 Si la matière semi-conductrice du substrat 21 du circuit résonnant ainsi réalisé est choisie de manière à avoir une résistance spécifique convenable, il est possible de faire varier l'épaisseur de la couche d'apauvrissement en appliquant une tension de polarisation continue entre les bornes du dispositif 20 et en conséquence la capacité C illustrée sur le circuit équivalent de la 20 figure 8 peut également Stre modifiée de manière que la fréquence de résonance du dispositif 20 varie de la façon illustrée sur la figure 9. Si les pistes sont constituées par l'électrode ohmique 12, 15 et 16 et par l'électrode 13, l'impédance et la capacité du circuit résonnant à semi-conducteur sont faibles avec la conséquence qu'il est possible d'obtenir une autre fréquence plus élevée de 25 résonance. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois la limiter dans son cadre ni dans son esprit. EXEMPLE 1. Le circuit résonnant à semi-conducteur de cet exemple comporte un subs-30 trat semi-conducteur 11 dont la résistance spécifique est de 1 ohm-cm et qui est réalisé en arséinure de gallium, ce substrait ayant 11 de surface et 10 microns d'épaisseur; un conducteur en spirale 15 comporte 10 spires, de sorte que son inductance est appropximativement de 0,25 microhenry, sa capacité est approximativement de 10 picofarads et sa fréquence de résonance est approximati-35 vement de 100 mégahertz. Si les pistes sont constituées par l'électrode ohmique 12, 15 et 16 et par 1 électrode 13, 1'in.ductance et la capacité du circuit résonnant sont faibles 69 24619 - 6 - 2013295 /nance. et en conséquence il est possible d'obtenir une autre fréquence supérieure ae reso-Ainsi, si la couche isolante 14 est formée par une couche d*apauvrissement de la jonction semi-conducteur-métal, la capacité du dispositif 10 peut être modifiée par application de la tension de polarisation continue sur ce dernier, avec pour 5 coaséquence que la fréquence de résonance de ce dispositif 10 peut également être modifiée. EXEMPLE 2. Le dispositif de cet exemple, destiné à former un circuit résonnant en parallèle et illustré sur la figure 10, comporte un substrat semi-conducteur 10 21 d'environ 10 ohms-cm, formé par croissance épitaxiale d'une couche de silicium du type n, ces dimensions étant de 5 « x 5 mm; une région n+ de phosphore ou d'antimoine est formée de manière connue par diffusion sélective. Une électrod® ohmique 23 d'aluminium ou une jonction formée d'un alliage dsor et d'antimoine est réalisée sur la région n+; une autre électrode ohmique 24 de nickel est 15 réalisée sur l'autre côté du substrat 21 de manière connue; un conducteur 25 en spirale à 10 spires est déposé ou réalisé par placage d'or eu d'un autre métal convenable sur le substrat 21, son inductance étant ainsi d'environ 1 microhenry, sa capacité d'environ 40 picofarads et sa fréquence de résonance, d'environ 25 mégahertz. Le circuit équivalent de cet exemple est illustré sur la figura 11» 20 Si les pistes sont formées par l'électrode ohmique 12, 15 et 16, et par l'électrode 13, l'inductance et la capacité du circuit résonnant à semi-conducteur sont faibles et en conséquence, une autre fréquence supérieure de résonance peut être obtenue. BXEMPLE 3. 25 Le dispositif de cet exemple, illustré sur la figure 12 et destiné à constituer un circuit résonnant en série, comporte un substrat semi-conducteur 21 d'environ 10 ohms-cm, réalisé par croissance épitaxiale d'une couche de silicium du type n et ayant 5 5 mm de dimensions; une région p de bore ou d'aliminima est formée par diffusion sélectrive de manière connue; une électrode ohmique 30 23 d'aluminium ou. jonction par alliage de type connu est formée sur la région p. Une autre électrode ohmique 24 de nickel est réalisé par placage sur l'autre surface du substrat 21 de manière connue; un conducteur 25 en spirale à 5 spires est déposé ou réalisé par placage d'or ou d'un autre métal convenable sur le substrat 21, son inductance étant en conséquence d'environ 0,25 microhenry, sa 35 capacité pouvant varier de 4 à 10 picofarads en plus de sa valeur initiale de 5 picofarads par modification de la tension continue appliquée de polarisation et en conséquence, sa fréquence de résonance pouvant varier entre 100 et 50 mégahertz. Lorsque les pistes sont formées de l'électrode ohmique 12, 15 et 16 J69 24619 - 7 - 2013295 et de 1*électrode 13, l'inductance et la capacité du circuit résonnant pont _ faibleeet en conséquence, une autre fréquence supérieure de résonance peut être obtenue. . . Il-va de. soi que la présente invention n'a été décrité et représentée 5 qu'à.titre explicatif mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes ne sortant pas de son cadre. 69 24619 - 8 - 2013295 REVENDICATIONS. " " ■ : • -• 1. Dispositif constituant un •circuit.rusoiiKaii; à semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend un élément d'électrode ohmique formé sur une .partie d'un côté d'un sùbstrat semi-conducteur, un autre élément phmique.d'électrode 5 formé- sur la-totalité de l'autre surface du dit substrat de manière à constituer une borne électrique, une couche d'apauvrissement réalisée d'un côté du dit substrat de manière à constituer un isolant et en conséquence une matière diélectrique d'un condensateur du circuit résonant, un conducteur réalisé sur la dite couche d'apauvrissement et dont une extrémité est connectée au premier des dits 10 éléments ohmiques d'électrode et une borne électrique formée sur la dite couche d'apauvrissement et connectée à l'autre extrémité du dit conducteur. 2. Dispositif constituant un circuit résonnant à semi-conducteur selon -v" la revendication l), caractérisé en ce que .le dit conducteur est en spirale. ■ 3. Dispositif constituant un circuit résonnant à semi-conducteur selon 15 la revendication 1), caractérisé en ce que le dit conducteur est une piste. 4. Dispositif constituant un circuit résonnant à semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat semi-conducteur à résistance négative sous un champ électrique, une première électrode ohmique formée sur une partie d'un côté du dit substrat par une jonction réalisée par dépôt ou alliage, une 20 autre électrode ohmique réalisée sur la totalité de l'autre surface du dit substrat de manière à constituer une première borne électri«n»e formée d'une jonction comprise dans le groupe des jonctions réalisées par dépôt et par alliage, une couche isolante constituée par une couche d'apauvrissement et formée par une jonction comprise dans le groupe des jonctions métal-oxyde, métal-ferrite et 25 métal-semi-conducteur, de manière à constituer une matière diéleptrique d'un condensateur du circuit résonant, un conducteur réalisé,par dépôt .d'un métal du groupe comprenant-l'or et l'aluminium sur la dite couche isolante et connecté à une.extrémité à la dite première électrode ohmique pour constituer un élément à inductance et une électrode du dit condensateur et une autre borne électrique 30 réalisée sur la dite couche isolante et connectée à l'autre extrémité du dit • • • conducteur. -, . .. ">■' 5. Dispositif constituant un circuit résonant à semi-conducteur selon la revendication 4), comprenant en outre une ^source de courant électrique continu connectée entre les dites bornes électriques, la tension de la dite source étant 35 maximale lorsque le courant circulant dans le dit circuit résonant est maximum et la tension maximale variant en fonction de la distance séparant les dites électrodes ohmiques. 69 24619 - 9 - 2013295 6. Dispositif constituant un circuit résonnant à. semi-conducteur selon la revendication 5)» caractérisé en ce que lorsqu'une tension supérieure à la dite tension maximale est appliquée au circuit résonant, le dispositif a une résistance négative pour un courant alternatif circulant dans ce dernier. 7. Dispositif constituant un circuit résonnant à semi-conducteur, 5 caractérisé en ce qu'il comprend un substrat semi-conducteur de résistance spécifique prédéterminée, comportant une couche d'apauvrissement formée par une jonction PN dqfnanière à constituer une matière diélectrique d'un condensateur du circuit résonnant une électrode ohmique étant formée sur une partie d'un côté du dit substrat par une jonction comprise dans le groupe des jonctions réalisées 10 par diffusion et alliage, une autre électrode ohmique étant formée sur la totalité de l'autre surface du dit substrat de manière à constituer une première borne électrique constituée par une jonction comprise dans le groupe des jonctions formées par diffusion et alliage, un conducteur réalisé par un procédé du groupe comprenant le dépôt et le placage d'un métal sur le dit substrat et fournissant 15 un travail de sortie supérieur à celui du dit substrat, l'une dés extrémités du dit conducteur étant connectée à la première des dites électrodes ohmiques de manière à constituer un élément à inductance et une électrode du dit condensateur et une autre borne électrique étant formée sur le dit substrat et connectée à l'autre extrémité du dit conducteur. 20 8. Dispositif constituant un circuit résonnant à semi-conducteur selon la revendication 7)» caractérisé en ce que la dite couche d*apauvrissement est produite par la jonction entre le serai-conducteur et le substrat et le dit conducteur et la dite seconde borne électrique est connectée à une extrémité du dit conducteur. 25 9. Dispositif constituant un circuit résonnant à semi-conducteur selon la revendication ?), caractérisé en ce que là matière semi-conductrice du dit substrat est choisie de manière à avoir une résistance spécifique prédéterminée afin que l'épaisseur de la dite couche d*apauvrissement puisse être modifiée par application d'une tension continue de polarisation entre les dites bornes 30 électriques et en conséquence que la capacité du dit condensateur du circuit résonant varie en fonction de cette modification en amenant la fréquence de résonance du dispositif à varier en conséquence.