Brevet FR2070794A1 — publié le 19710917

kkl79 1 2070794 la présente invention concerne un dispositif oscilla-teur à diode de Read, comprenant un semi-conducteur maintenu entre de premiers et seconds contacts et placée dans un résonateur, ce semi-conducteur comprenant en ordre successif une 5 diode redresseuse$ une région d'avalanche relativement mince, de grande conductivité, et une région de transit relativement . épaisse, de faible conductivité, la fréquence du résonateur étant en rapport avec le temps de transit, des moyens pour polariser la jonction en sens inverse pour y provoquer le 10 déclenchement d'un effet d'avalanche, temporaire, avec formation concomitante d'une concentration de porteurs majoritaires, les "porteurs majoritaires étant amenés par les moyens de polarisation en sens inverse à passer à travers la région de transit vers le second contact, après quoi le champ électrique dans 15 la diode est redistribué dans une mesure suffisante pour produire une autre entrée en conduction avec avalanche à la jonction, . de façon que le processus précédent se répète. le brevet des Etats-Unis d'Amérique Ko. 2.899.652 au nom de Eead décrit la manière dont des diodes à avalanche à cou-20 ches multiples peuvent être amenées à présenter une résistance négative et, lorsqu'elles sont placées dans un circuit résonant convenable, engendrent des oscillations hyperfréquence. Une tension continue appliquée polarise une jonction p-n pour provoquer le déclenchement de 1'avalanche,en créant ainsi des im~ 25 pulsions de courant dont chacune passe à travers une région de transit dans une période de temps prescrite. Ce temps de transit est tel, par rapport à la fréquence de résonance du résonateur extérieur, que les tensions radioélectriques aux bornes de la diode soient déphasées par rapport aux impulsions de courant 30 dans la diode.Avec un décalage de phase convenablement prévu, le courant qui passe par les bornes augmente lorsque la tension aux bornes diminue, en établissant une résistance négative. Finalement, une partie de l'énergie de courant continu appliquée à la diode est transformée en énergie à fréquence radioélectri-35 que dans le résonateur et le circuit constitue une source d'hyperfréquences, d'état solide. La diode de Read appartient à une catégorie de diodes 70 kkl79 2 2070794 connues de façon générale aujourd'hui sous le nom de diodes IMPATTs abréviation de Impact Avalanche and Transit Time„ soit " diodes à avalanche et temps de transit résultant de lrimpact" La diode de Read possède une structure à quatre couches, par 5 exemple de configuration p+nin+ dans laquelle la jonction p-n est polarisée en sens inverse jusqu'au point de provoquer l'avalanche. La région n est mince par rapport à la couche i, en sorte que l'impulsion de courant sera bien confinée comme il convient que cela soit pour que l'on ait un bon rendement. On 10 obtient le rendement le meilleur si la densité de courant de l'impulsion de courant est grande et si le courant est déphasé de 180 degrés par rapport à la tension extérieure. Un dispositif de configuration complémentaire à structure n+pip+ fonctionne de la même manière. 15 Bien que l'on ait fait fonctionner des diodes de Read avec succès, elles n'ont jamais engendré de micro-ondes avec le rendement prévu par Read. On a trouvé que la cause principale de ce défaut de rendement est la diffusion "en arrière" de porteurs majoritaires dans l'impulsion de courant, qui se présente" 20 avant que celle-ci se soit déplacée à travers la couche intrinsèque ou couche i. Les électrons de l'impulsion de courant tendent à diffuser à travers la jonction p-n et sont emprisonnés dans la couche p+ lorsque le reste de l'impulsion de courant est transmise à travers la région de transit. Ces porteurs em-25 prisonnés diffusent alors en arrière à travers la jonction p-n et réduisent le temps de la formation de l'impulsion de courant suivante ; ceci détruit- le synchronisme de l'impulsion de courant avec la tension extérieure. Suivant l'invention, on prévoit des moyens pour empêcher 30 l'emprisonnement des porteurs majoritaires entre le premier contact et la jonction, en "améliorant ainsi le rendement de l'oscillateur. Dans une forme de réalisation, une couche de con duetivité p est comprise entre la couche p+ et la couche n pour donner une structure p+pnin+. La couche p à une conducti-35 vité nettement moindre que la couche p+ et elle doit nécessairement être soumise à un champ électrique important même lorsque l'impulsion de courant se déplace à travers la'région de 70 44179 3 2070794 transit. Ce champ électrique empêche les électrons d'être emprisonnés dans la couche p et, au lieu de celas il les force à aller vers le contact polarisé positivement. En donnant à la couche p une épaisseur plus grande que la longueur de diffu-5 sion d'un porteur majoritaires, peut assurer que la diffusion vers la couche p+ sera sensiblement exclue. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention9 on utilise un contact à barrière de Schottky pour former la jonction à avalanche ; c'est-à-dire que la diode a une configu-10 ration de structure métal-nin+. la diode travaille de la même manière que déc'rit ci-dessus, où la source de tension polarise en sens inverse la jonction à barrière de Schottky entre le métal et la couche n. Il est caractéristique de la barrière de Schottky que la diffusion des électrons depuis le contact métal-15 lique et à travers la jonction est sensiblement interdite. Le métal non plus ne peut emprisonner des électrons du fait qu'il conduit librement les électrons. Ainsi, le contact à barrière de Schottky du métal augmente sensiblement le rendement de la diode de Read en éliminant le problème dont il a été question 20 plus haut. Sur les dessins; - Figure 1 est un circuit oscillateur à diode de Read suivant la technique antérieure. - Figure 2 est un graphique de la distribution du champ électrique à un instant dans la diode de Read de la figure 1. 25 - Figure 3 est une représentation schématique d'une dio de de Read suivant une forme de réalisation de l'invention. - Figure 4 est un graphique de la distribution du champ électrique à un instant dans la diode de Read de la figure 2. - Figure 5 est une représentation schématique d'une dio-30 de de Read suivant une autre forme de réalisation de l'invention En se reportant à la figure 1, on y voit un circuit d'oscillateur comprenant une diode de Read 11, une bobine d:induction 12, une capacité 13, une source de polarisation T4 et une charge 15. Comme montré„ la diode de Read 11 est constituée 35 d'une pastille qui présente les couches successives 16y 17, 18, 19 dont la conductivité est respectivement de p+, de n, de i, et de n+. La diode est située dans le résonateur hyperfréquence 70 44179 4 2070794 représenté schématiquement par la bobine d'induction 12 et par la capacité 13. la jonction redresseuse p-n entre les couches 16 et 17 est polarisée en sens inverse par la source de tension 14. Ce circuit oscillateur engendre des oscillations hyperfré-5 quence qui sont transmises pour utilisation à la charge 15. La courbe 21 de la figure 2 montre la distribution du champ électrique par rapport à la distance dans la diode de Read 11. Lorsque la tension de polarisation en sens inverse est appliquée initialement, le champ électrique est suffisamment 10 élevé à la jonction p-n entre les couches 16 et 17 pour provoquer le déclenchement de l'effet d'avalanche ."^e celle-ci à son tour découle une concentration d'électrons porteurs majoritaires dans la couche 17 qui se déplace comme une impulsion de courant à travers la couche intrinsèque 18, vers le contact po-15 sitif de la diode. La fréquence du résonateur hyperfréquence extérieur est prise,par rapport au temps de transit de l'impulsion de courant et par rapport au temps pris pour la formation de l'impulsion de courant, telle que le courant dans la diode soit déphasé de 180 degrés par rapport à la tension extérieure 20 à la diode ,appliquée par le résonateur. La couche n 17 est avantageusement petite par rapport à la couche i 18 de façon à marquer une pointe nette du champ électrique à la jonction et une impulsion de courant nettement définie. Lorsque l'impulsion de courant se déplace à travers la région de transit définie 25 par la couche intrinsèque 18, le champ électrique à la jonction p-n tombe en dessovs du seuil Je déclenchement de l'avalanche. Après que l'impulsion de courant ait atteint le contact positif, le champ électrique à la jonction p-n atteint à nouveau le seuil de déclenchement de l'avalanche pour former une 30 autre impulsion de courant et le processus se répète de lui- v. même. La couche n 17 est faite mince par rapport à la région de transit définie par la couche 18 pour donner un déclenchement d'avalanche confinée, comme indiqué à la figure 2, avec pour 35 conséquence une impulsion de courant confinée à forte densité de courant. En théorie, ceci permet de construire la diode pour donner un décalage de phase de 180 degrés entre l'impulsion de 70 44179 5 2070794 courant et la tension extérieure pour un maximum de résistance négative et de rendement. En fait, on savait depuis un certain nombre d'années que la construction de la figure 1 est incapable d'engendrer des micro-ondes avec des rendements approchant 5 de ceux que laisse prévoir la théorie. On a déterminé à présent que le faible rendement résulte de la diffusion en arrière des électrons dans l'impulsion de courant. Toute concentration de courant à forte densité dans un semi-conducteur tend à diffuser dans les deux sens à partir 10 du centre de la concentration. Dans le dispositif de la figure 1, bien que le champ électrique attire l'impulsion de courant comme un bloc vers le contact positif, il y a un courant de diffusion important vers le contact négatif à travers la jonction p-n. Comme montré, à la figure 2, il n'y a sensiblement 15 pas de champ électrique dans la couche p+ 16 à cause de la conductivité importante de cette couche. Ainsi, les électrons qui pourraient diffuser dans la couche 16 y seront emprisonnés parce qu'ils ne subissent pas l'influence d'un champ électrique sensible quelconque. 20 Après que l'impulsion de courant se soit déplacée dans la couche 18 vers le contact positif, les électrons de la couche 16 tendent à diffuser de nouveau à travers la jonction p-n pour revenir dans la couche 17. Ces électrons réduisent le temps nécessaire pour la formation de courant de l'impulsion suivante, en réduisant ainsi le rendementTdu dispositif. La figure 3 montre une diode 23 suivant 1'invention,que l'on peut utiliser dans le circuit de la figure 1 et qui comprend les couches 24, 25, 26, 27 et 28, dont les conductivités sont p+, p, n, i et n+ respectivement. La diode diffère de la 30 diode 11 essentiellement par l'introduction de la couche p 25 entre la couche p+ 2!4et la couche n 26. La couche p+ 24 permet la réalisation d'un bon contact ohmique avec la pastille, tandis que la couche p 25 assure une formation d'un champ électrique important entré la couche p+ 24 et la jonction p-n 35 des couchas 25 ^t 26. La courbe 29 de la figure 4 montre le champ électrique établi dans la diode 23 à l'instant du déclenchement initial de 70 44179 6 2070794 lfavalanche à la jonction p-n. A cause de la conductivité relativement faible de la couche p 25 s le champ électrique s'étend à travers la couche p plutôt qu'il ne tombe précipitamment à la jonction p-n, comme montré à la figure 2. Une impulsion de 5 courant très concentrée est formée dans la couche 26 de type n et le fonctionnement de la diode est essentiellement le même qu'à la figure 1. Cependant, les électrons qui ont diffusé à travers la jonction p-n dans la couche 25 ne sont pas emprisonnés parce qu'ils restent sous l'influence du champ électrique. 10 Comme tels, ils sont attirés vers le contact positif, immédiatement, et ne gêneront pas la formation d'une impulsion de courant subséquente. Donc, juste avant la formation de l'avalanche suivante à la jonction p-n, la couche n 26 sera une couche balayée ou appauvrie, exempte d'électrons porteurs majoritaires 15 comme on le suppose pour la conception correcte d'une diode de Read, en vue d'un rendement optimal. la diode 23 peut être formée en fait par des couches épitaxiales ou diffusées 24 à 27 formées d'un substrat de silicium 28. Des dimensions d'espèce sont les suivantes? couche 24 - 0,5 . 10~3 mm; couche 25 - 0,4 . 10~3 mm; couche 26 - 0,6 . 10 3 mm; couche 27 - 0,4 . 10 3 mm couche 28 - 0,50 . 10 3 mm 25 les conductivités des couches exprimées en porteurs par centimètre cube peuvent se présenter comme suit s couche 24 - 10^ ; couche 25 = 6 x 10^; 1 couche 26 - 3 x 10 ; 15 30 couche 27 - moins que 10 ; et couche 28 - 10^. On peut fabriquer des diodes au silicium complémentaires avec des types de conductivité opposés,ayant sensiblement les mêmes dimensions et les concentrations de porteurs données ci-3 5 dessus, c'est-à-dire que la diode peut être de la forme n+npip+ La diode pourrait être faite aussi d'autres matériaux semiconducteurs bien connus, tels que le germanium, et pourrait 70 44179 7 2070794 être modifiée pour prendre diverses autres formes9 comme le comprendra un spécialiste. Une autre structure pour résoudre le problème de la cap-tation des porteurs est montrée à la figure 5- la pastille 5 semi-conductrice de la diode comprend des couches 32 , 33 et 34 de conductivités n, i, n+. Le contact positif 35 est le contact ohmique habituel, mais le contact 36 forme une barrière de Schottky 37 avec la couche n 32. La jonction 37 est polarisée en sens inverse par la tension extérieure, à 1'avalanche, et 10 la diode fonctionne de la même manière que celle de la figure 1. La diffusion en arrière des électrons à travers la jonction 37 se produit comme dans la forme de réalisation de la figure 1, sauf que le contact de métal 36 est incapable d'emprisonner les électrons»C■est-à-dire que les électrons libres 15 n'affectent pas l'équilibre atomique du métal et qu!après que l'impulsion de courant ait quitté la couche 32 dans s-on transit à travers les couches 33 et 34, il ne peut se produire aucune diffusion sensible à travers la région 37 en raison des électrons emmagasinés dans le métal de contact 36. Par suite, 2 0 si la jonction à barrière de Schottky 37 est bien faite avec un minimum de"fuites" ,1a couche n 32 peut être sensiblement appauvrie en électrons avant la formation de l'impulsion de courant suivante et la diode est capable de fonctionner à grand rendement. 70 44179 8 2070794 REVENDICATIONS 1.= Arrangement d'oscillateur à diode de Reads comprenant un semi-conducteur maintenu entre un premier et un second contact et situé dans un résonateurs ce semi-conducteur compre- 5 nant en ordre successif une jonction redresseuse, une région d'avalanche relativement mince, de grande conductivité,, et une région de transit relativement épaisse, de faible conductivité, la fréquence du résonateur étant en relation avec le temps de transit de la région de transit, des moyens pour polariser la 10 jonction en sens inverse pour y produire un déclenchement d'avalanche temporaire avec formation associée d'une concentration en porteurs majoritaires, les porteurs majoritaires étant amenés par les moyens de polarisation en sens inverse à passer à travers la région de transit vers le second contact, après quoi 15 le champ électrique dans la diode est redistribué suffisamment pour provoquer l'amorçage d'une autre avalanche à la jonction, en sorte que le processus précédent se répète de lui-même, et caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour empêcher l'emprisonnement de porteurs majoritaires entre le premier con-20 tact et la jonction en augmentant ainsi le rendement de l'oscillateur. 2.- Arrangement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens qui empêchent l'emprisonnement comprennent une première couche semi-conductrice et une seconde couche 25 semi-conductrice située entre le premier contact et la région de l'avalanche, la seconde couche formant la jonction redresseuse avec la région de l'avalanche et étant d'une conductivité sensiblement plus faible que la première couche semi-conductrice, en sorte qu'un champ électrique sensible s'étende à travers la 30 seconde couche lorsque la diode est polarisée en sens inverse, en empêchant ainsi l'emprisonnement des porteurs majoritaires dans la seconde couche. 3c- Arrangement suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la seconde couche est plus grande que 35 la longueur de diffusion d'un porteur majoritaire de la région de 15 avalanche. 4.- Arrangement suivant la revendication 1, caractérisé 0 hkï79 9 2070794 en ce que les moyens qui empêchent l'emprisonnement comprennent un contact métallique à partir d'une jonction à barrière de Schottky avec la région à avalanche.