Brevet FR2095324A1 — publié le 19720211

La présenta invention concerne les oscillateurs et amplificateurs semiconducteurs à effet de masse à haute fréquence. Dans le brevet Français n° 1 455 145 déposé le 10.6.65 par la demanderesse, il est décrit un nouveau dispositif oscillant qui utilise un matériau semi-5 conducteur à effet de masse dont la bande de conduction présente deux minima séparés par seulement une faible différence d'énergie. Ainsi lorsqu'un champ électrique d'intensité élevée est appliqué au matériau à effet de masse, les porteurs de charge gagne de l'énergie grâce au champ et sont transférés au minima le plus élevé où ils auront une mobilité inférieure, les matériaux 10 présenteront alors une conductivité différencielle négative (NDC). Dans ce mode de fonctionnement il se forme dBs domaines de champ élevé à l'intérieur du matériau à effet de masse et vont de l'électrode négative à l'électrode positive. Dues à ces domaines de champ élevés, ou à ces domaines en déplacement comme on les appelle en général, des oscillations se produisent dans le 15 matériau. A des fréquences suffisamment élevées, les électrons ne sont pas instantanément sensibles aux variations du champ électrique. Ce retard dans la réponse limite la fréquence à laquelle l'effet Gunn peut être utilisé pour donner une amplification et des oscillations. C'est-à-dire, à des fréquences élevées, la conductivité différentielle effective est positive. 20 Dans le brevet américain n° 3 490 051 déposé le 19 avril 1967 par la demanderesse deB.W. HaKki et al. , il est décrit un amplificateur à effet de masse dans lequel l'intensité du champ électrique est maintenue au-dessous de la valeur de seuil nécessaire pour établir des domaines en déplacement. Dans ce brevet il sst demandé de choisir le semi-conducteur à effet de masse 25 tel que ces deux bandes d'énergie soient séparées par un niveau d'énergie suffisamment faible de sorte que la redistribution de population peut avoir lieu à des intensités de champ, qui ne détruisent pas le matériau, tel Rt» pour des intensités de champ nulles, la concentration des porteurs dans la bande d'énergie inférieure soit au moins dix fois celle dans la bande d'éner-30 gie supérieure, à la température de fonctionnement ; et tel que la mobilité des porteurs dans la bande d'énergie inférieure soit approximativement cinq fois plus grande que la mobilité dans la bande d'énergie supérieure. Les dispositifs sont polarisés entre 3100 volts/cm et 4000 volts/cm. Le dispositif est limité en ce qui concerne l'ordre des fréquences auxquelles il peut 35 osciller ou amplifier puisque, comme le dispositif à effet Gunn, il est réalisé avec un matériau qui présente une conductivité différentielle négative aux basses fréquences et possède une conductivité différentielle positive pour quelques ordres de fréquences pour lesquelles le dispositif ne fonctionne pas. La présente invention propose un nouveau type de dispositif à conducti-40 vité différentielle négative à effet de masse et à fréquence élevée dans un 71 15073 2 2095324 système d'électrons ou de trous "excités". Dans ce nouvel effet, la conductivité différentielle se produit en raison du transfert des électrons des états de mobilité inférieurs à des états de mobilité supérieurs, ou à partir à'états dans lesquels les électrons ne sont pas libres de transporter du 5 courant dans des états de propagation de courant, par exemple les états de non propagation de courant pourront être la bande de valence ou les niveaux d'impureté localisés, et les états de propagation de courant pourront être la bande dB conduction inférieure minimum. Ceci fournit une conductivité différentielle qui est positive à de faibles fréquences., devenant seulement 10 négatives à des hautes fréquences. Le dispositif comprend un solide à conduction uniforme dans lequel il existe un champ électrique fixe élevé Eq sur lequel est superposé un faible champ alternatif uniforme dans l'espace, (t) ■ E^ cos ut. Le courant dû à ce faible champ alternatif sera de la forme : 15 Ct3 » j^r cos ut + sin ut le rapport de j^r à E^ est appelé partis réelle de la conductivité différentielle à la fréquence u, appelée a ' U»J. Le rapport du courant déphasé de à E^ est appelé partie imaginaire de la conductivité différentielle à la fréquence u, appelée o^' Cu). C'est le signe de tf^'CuJ qui détermine si 20 l'amplification et l'oscillation peuvent être obtenues. Si o^/Cu) est négative, c'est-à-dire la densité du courant en phase, se déplace dans la direction opposée au champ qui le produit! une amplification.se produit. D'autre part, si a '(u) est positive il en résultera une atténuation. Les dispositifs de la présente invention sont caractérisés par le fait que pour 25 un certain domaine de champ de polarisation permanent Eq, »r'Cu) est positive a de basses fréquences mais pour quelques domaines de fréquences êlevëçe or'U) devient inférieur à zéro, produisant ainsi amplification et oscillation. Conformément à l'invention, un champ électrique de courant continu est 30 appliqué entre des contacts ohmiques sur .les côtés opposés d'un barreau d'un matériau serai-conducteur approprié. Le dispositif semi-conducteur présentera une conductance positive pour un domaine de fréquences jusqu'à g environ 2i x 10 radians par seconde et sera inopérent. A des fréquences plus élevées, le dispositif présentera une conductance négative pour laquelle 35 se produira une amplification. L'amplificateur peut aussi être utilisé pour générer les oscillations dans un circuit oscillateur approprié. Un objet de cette invention est par conséquent de proposer un nouveau dispositif semi-conducteur à effet de masse à fréquences élevées. Un autre objet de l'invention est de proposer un nouveau dispositif 71 15073 3 2095324 semi-conducteur à effet de masse à fréquences élevées qui fonctionne à des fréquences supérieures aux fréquences critiques des dispositifs à effet Gunn. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence aux dessins 5 annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préférée de celle-ci. la figure 1 est une vue schématique d'un circuit amplificateur incorporant un dispositif amplificateur semi-conducteur à Bffet de masse conforme à la réalisation de la présente invention. 10 La figure 2 est une vue schématique d'un dispositif semi-conducteur à effet de masse du type inclus dans le circuit de la figure 1. La figure 3 est une vue schématique d'un circuit oscillateur comportant un dispositif semi-conducteur à effet de masse, conformément à une autre réalisation de l'invention. 15 La figure 4 est un graphique décrivant la relation entre la fonction de conductivité a^Cto) et la fréquence (u) pour un dispositif à effet Gunn. La figure 5 est un graphique décrivant les relations entre la fonction de conductivité a ' (io) et la fréquence (tu) pour un dispositif conforme à la présente invention. 20 La figure 6 est un graphique représentant les caractéristiques du courant en fonction de la tension d'un dispositif de l'art antérieur à résistance négative commandé par courant. La figure 7 est un graphique représentant les caractéristiques courant en fonctiond8 la tension d'un dispositif conforme à la présente invention. 25 Se référant maintenant à la figure 1, il est représenté de façon schéma tique un circuit amplificateur comportant une source de signal à hyperfréquen-ces 11, un circulateur 12, un dispositif amplificateur semi-conducteur à effet de masse 13, une source de potentiel à courant continu 14 et une charge 15 ayant une résistance de charge R^. La source de signal 11 est connectée 30 à la première entrée du circulateur et est reliée au semi-conducteur par l'intermédiaire de l'entrée 2 du circulateur et par un transformateur 17. En plus de la tension du signal, une tension de courant continu est appliquée au travers d'un semi-conducteur par une source de tension 14. Le transformateur 17 empêche le passage du courant continu vers le circulateur tandis 35 qu'une bobine d'impédance à radio-fréquences 18 bloque le courant hyper-fréquence à la source tension courant fcontinu 14. La force du signal est amplifiée par le dispositif semi-conducteur à effet de masse 13. L'énergie du signal hyperfréquence amplifié est alors transmise à une charge appropriée 15 par l'intermédiaire des entrées 2 et 3 du circulateur. 40 Comme représenté par la représentation schématique de la figure 2, le 71 15073 4 2095324 dispositif semi-conducteur 13 comporte une tranche 20 d'un matériau semiconducteur à effet de masse ayant sur les côtés opposés seulement des contacts 21 et 22. Une résistance négative différencielle appropriée dans la tranche résulte d'un transfert de porteurs chargés ou d'une redistribution de popu-5 lation d'une bande de mobilité inférieure ou de niveaux d'énergie de non conduction du milieu à une bande de mobilité supérieure. Les bandes d'énergie se réfèrent ici soit aux bandes de conduction, soit aux bandes de valence selon la charge des porteurs de courant. Le matériau à effet de masse de la tranche 20 devrait présenter les caractéristiques suivantes en vue d'une 10 utilisation pratique en tant qu'amplificateur. On pourrait avoir un matériau à intervalle de bande direct, qui ne pprésenterait pas l'effet Gunn. La tranche 20 peut être préparée à partir des matériaux suivants de type N : InSb, Ga ln„ As, InAs P„ , In„ Al Sb, Ge de type n ou p ou Si de type x 1-x x 1-x 1-x x p soumis à des contraintes. L'énergie d'intervalle de bande de ce matériau 15 doit etre de l'ordre d'environ 0,5ev a environ 0,7ev. Bien que des oscillateurs semi-conducteurs à effet de masse soient connus, l'amplificateur de cette invention est le premier à réaliser une micro-amplification dans laquelle il y a une conductivité différentielle positive initiale. Dans les dispositifs à effet Gunn ou dans le mode de fonctionnement 20 avec domaine en déplacement des oscillateurs de l'art antérieur, on a toujours une conductivité différentielle négative. L'invention concerne un nouveau type de conductivité différentielle négative à effet de masse à hautes fréquences dans un matériau semi-conducteur. Si l'on considère une pièce uniforme d'un matériau semi-conducteur sur lequel est ap-25 pliqué un champ électrique fixe relativement fort Eq, produisant une densité de courant fixe j . L'effet d'un faible champ électrique alternatif E^tt) ■ E^ cos tut superposé sur le champ fixe Eq donne une densité de courant proportionnelle à E_j (t) qui sera J^Ct) ayant la forme de : x* i J^Ct] * j cos ut + j^ sin ut. 30 où j^r représente l'amplitude de la densité de courant en phase et j^ représente l'amplitude de la densité de courant en quadrature. Le rapport de j^r à E^ est appelé partie réelle de la conductivité différentielle {au champ de polarisation Eq et à la fréquence to) et est noté a'^ Cu). De même le rapport de la densité de courant déphasé j * à E^ est appelé partie imagi-35 naire de la conductivité différentielle et est noté o^' lu). Si un dispositif doit être utilisé comme un oscillateur à effet de masse ou un amplificateur à une fréquence w, alors il est nécessaire que a ' (u) soit négative à cette valeur de u. Les matériaux présentant l'effet Gunn, 71 15073 5 2095324 qui dépsnd du transfert des électrons de la bande d'énergie de mobilité élevée vers une bande d'énergie à mobilité inférieure sont fonctions du rapport o ' Cu)/u représenté dans la figure 4. Ainsi, les dispositifs amplificateur et oscillateur peuvent être construits de façon à fonctionner à des 5 fréquences jusqu'à u , $ui pour 1'arséniurede gallium de type n, le matériau c 11 à effet Gunn le plus généralement utilisé, est environ u'c * 2 n x 10 radians/sec. comme représenté par la référence. Le procédé de transfert d'une bande d'énergie de mobilité élevée à une bande d'énergie de mobilité plus faible donne en général une conductivité différentielle négative statique, 10 c'est-à-dire, a ' Cu) est la plus négative à u = 0, et lorsque la fréquence augmente et que les électrons ne répondent plus instantanément au champ appliqué, la conductivité différentielle devient positive. D'autre part, les dispositifs de la présente invention sont constitués de matériaux qui dépendent du rappoft a ' (ud/w comme représenté dans la 15 figure 5. Dans ce cas, les procédés statiques fournissent a(û) positif pour u ■ 0. A des fréquences supérieures, lorsque le fait que les électrons ne répondent pas instantanément au champ électrique devient important, a' (u), devient négative et c'est à ces hautes fréquences que les dispositifs de la 20 présente invention fonctionneront. En général, de façon à avoir a' (u) négative a toute fréquence u, il est nécessaire que le décalage de phase entre le champ électrique appliqué 8t la densité de courant excède 90°. Par exemple, lorsque : 1/ E^ (t) - E^ cos ut comme précédemment et, 25 2/ j,j (t) « j cos lut - 0) où j est l'amplitude totale de j^ (t) et 6 présente le décalage de phase entre le champ appliqué et la densité de courant résultante. L'équation 2 peut aussi être écrite comme : j-lt) * j. cos 0 cos ut + j„ sin 0 sin ut 1 1 1 30 pour laquelle nous pouvons maintenant identifier : 3/ jn cos 0 « j1r 4/ j1 sin 9 = J1i En résumé si 90° 35 phase j r circulera dans une direction opposée à E, et l'onde à la fréquence u sera amplifiée. Quelques matériaux semi-conducteurs auront 0 > à 90°. Un exemple d'un tel matériau semi-conducteur est InSb. Si ce matériau est légèrement dopé avec une impureté de type n, et si orv applique un champ électrique suffisamment élevé, les électrons dans la bande de conduction gagnent suf 71 15073 6 2095324 fisamment d'énergie pour attirer des électrons supplémentaire de la bande de valence vers la bande de conduction. La vitesse à laquelle les électrons supplémentaires sont ajoutés à la bande de conduction dépendent de l'énergie moyenne de l'électron et du temps de recombinaison des électrons en excès. 5 Cette énergie à son tour renferme une composante d'oscillation E cos (ut - 0 ) 1 1 due au champ électrique oscillant E^ cos ut. Puisque le champ électrique détermine seulement la vitesse de croissance de l'énergie, 0^ peut être aussi important que 90° à des fréquences élevées. Puisque la vitesse de création des porteurs en excès dépend de l'énergie, elle sera à son tour déphasée 10 derrière l'énergie ayant la forme : 5/ n„ (t) - n. cos (ut- 0. - 0„) 1112 et à nouveau 6^ peut être aussi grand que 90°. Ainsi n^ sera déphasé en arrière de E. d'un angle de 0 es excès de 90e, toutes les fois oû 0 + 0„ > 90°. 1 i 1 2 Le courant alternatif en phase comporte deux termes : 15 " 8 (no V/ + Vo "i"3 Par conséquent n1r ■ n^ cos £+ 0^), le premier terme représente la variation de la vitesse du nonobre d'électrons à état fixe et ne sera jamais négatif dans les matériaux que nous considérons. Le second terme cependant, peut être négatif puisque Vq est positif et n^r peut être négatif comme vu 20 ci-dessus. Par conséquent toutes les fois où n est suffisamment important et V » 8„ ♦ 0„ > 9O?0 (u), sera inférieur à zéro. i Z r Une réalisation de ce dispositif pourra être réalisée avec un barreau de InSb ou quelques autres composés ou alliages de la colonne III-V qui ne présentent pas l'effet Gunn, dopé légèrement par une impureté de type n, 25 et traité à une température suffisamment basse, par exemple de l'ordre de 77"K à environ 3Q0°K. (selon l'intervalle de bande) de façon qu'il y ait très peu de porteurs intrinsèques. Un champ fixe de quelques centaines de volts par cm par exemple 200-400 volts/cm pour InSb, est appliqué à travers le barreau par l'intermédiaire de deux contacts ohmiques, et le champ fixe fournit une 30 concentration fixe d'électrons en excès qui est inférieure à la concentration de dopage. L'échantillon est inserré dans une cavité ou dans une structure de guide d'onde, tel que celui représenté dans les figures 2 et 3 qui renferme le champ cos ut qui doit être amplifié pour réaliser des oscillations ou seulement une amplification. 35 Une autre possibilité pour déplacer les électrons de leurs bandes de valence à leurs bandes de conduction est de les faire passer d'une bande de conduction de faible mobilité à une bande de conduction de mobilité élevée, par exemple, cornue dans du germanium de type N comprimé le long d'une direction soumis à un champ fixe Eq parallèle à la direction de 71 15073 7 2095324 compression, ou du germanium ou du silicium de type P comprimé selon un seul axe et soumis à un champ fixe perpendiculaire à la direction de compression, ou à partir d'un niveau d'impureté à l'intérieur de la bande interdite de tout semi-conducteur à mobilité raisonnablement élevée telle que Ga As dopé au chrome. 5 Dans le dernier cas, le champ de seuil du nouvel effet sera inférieur à celui de l'effet de Gunn par exemple, 1000 V/cm comparé à 3500 V/cm. Le phénomène dont on a parlé ci-dessus doit être distingué de celui qu'on appelle "résistance négative commandée par courant" qui est à nouveau un phénomène statique. Ici, la caractéristique tension/courant à l'état fixe a 10 la forme représentée dans la figure 6. La région de b à c étant appelée région de résistance négative commandée par courant, dans la présente invention, il n'est pas question d'une telle région. La courbe cpurant/tension d'état fixe ressemble à celle de la figure 7 et le phénomène de conductivité différentielle négative est purement dynamique. 15 La figure 3 représente de façon schématique un circuit oscillateur compor tant un dispositif semi-conducteur à effet de masse 36 ayant la structure représentée dans la figure 2 et la caractéristique du transfert de porteur de charge d'une bande de mobilité inférieure à une bande de mobilité supérieure, une source de tension continue 37, un commutateur 38 et un circuit résonnant 20 comportant une capacité 39 et une inductance 40. Le circuit résonnant est g accordé pour être résonnant à une fréquence supérieure à 2ir x 10 radians/sec. Lorsque le commutateur 38 est fermé, des états transitoires à la fréquence du circuit sont amplifiés par le dispositif, et ramenés par réaction au dispositif pour établir une oscillation dans le circuit. Cet oscillateur peut 25 être préférée à l'effet de Gunn et aux oscillateurs à résistance négative commandée par courant à cause de leurs fréquences de fonctionnement supérieures disponibles. Les matériaux utilisés dans le dispositif de cette invention peuvent être réalisés par toute technique de croissance en solution bien connue pour pré-30 parer les matériaux semi-conducteurs. Le matériau peut être obtenu par croissance dans la masse ou sous une forme épitaxiale. Bien que la description de cette invention ait été dirigée vers les matériaux particuliers qui présentent une conductance différentielle positive à des fréquences relativement basses, on comprendra que l'application des principes 35 de la présente invention ne sont pas limités à ces matériaux. D'autres matériaux semi-conducteurs ne présentant pas l'effet Gunn peuvent aussi être utilisés. 71 15073 8 2095324 REVENDICATIONS 1. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence caractérisé en ce qu'il comprend : un barreau de matériau semi-conducteur ayant des bandes d'énergie qui sont séparées par une énergie relativement faible et dans lequel une redis-5 tribution de population de porteurs de charge se produit des états de mobilité plus faible aux états de mobilité plus élevée, de ces deux bandes d'énergie, des contacts ohmiques espacés le long du barreau de matériau semiconducteur, des moyens pour appliquer un champ de polarisation à courant continu Eq 10 aux contacts qui est suffisamment élevé pour établir une redistribution de population utile dans les deux bandes d'énergie, et des moyens pour appliquer un champ alternatif E^ entre les contacts ohmiques tels que la conductivité différentielle a'r(u>) est positive aux basses fréquences et inférieure à zéro aux hautes fréquences de façon à 15 produire par ce moyen une oscillation à l'intérieur de ce barreau de matériau semi-conducteur. 2. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence selon, la revendication 1 caractérisé en ce que ce dispositif fonctionne à une fréquence supérieure g à 2 n x 10 radians/sec. 20 3. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ce dispositif fonctionne à des températures d'environ 77°K à environ 300°K. 4. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence selon l'une des revendications 1,2, ou 3 caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est In Sb. 25 5. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'un potentiel de polarisation à courant continu d'environ 200 àenviron 400 V/cm est appliqué. 6. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence selon l'une des revendications 1,2, ou 3 caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est 30 un alliage de Inx ^a-]_x As ou 0«53 7. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence selon l'une des revendications 1,2, ou 3, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est 71 15073 i 9 2095324 un alliage de In As^P,^ °u 0,3 6. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence selon l'une des revendications 1,2, ou 3 caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est un alliage de In Al, Sb ou 0,9 x 1-x 5 9. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence selon l'une des revendications 6,7 ou 8, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est du type n. 10. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le matériau semi-conductsur 10 est du germanium de type n ou p ou du silicium de type p soumis à des contraintes. " 11. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence selon la revendication 10 caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est du germanium de type n, comprimé dans la direction de l'écoulement du courant le long de la 15 direction . 12. Dispositif oscillateur stable à haute fréquence selon la revendication 10 caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est du germanium ou du silicium de type p, ce germanium ou ce silicium étant comprimé perpendiculairement à la direction d'écoulement du courant.