Brevet FR2077549A1 — publié le 19711029

.1 La présente invention concerne un oscillateur à haute fréquence comprenant une diode à jonction à semi-conducteur, des moyens pour polariser la diode en sens inverse pour l'amener au seuil de déclenchement de l'avalanche, des moyens pour dé-5 finir une région de ;transit de courant dans le semi-conducteur, cette diode étant montée dans un circuit oscillant résonant à une fréquence en rapport avec le temps de transit de la région de transit. Le brevet accordé à Read aux Etats-Unis d'Amérique sous 10 le No. 2.899.652 décrit la manière dont on peut amener une diode à âvalanche à couches multiples, à présenter une résistance négative et, lorsqu'elle est montée dans un circuit résonant convenable, à engendrer des oscillations hyperfréquence. Une tension continue appliquée polarise périodiquement une jonc-15 tion p-n pour l'amener au seuil de déclenchement de l'avalanche, en créant ainsi des impulsions de courant dont chacune se déplace à travers une région de transit, en un temps de transit prescrit. Ce temps de transit est pris tel, par rapport à la fréquence de résonance du résonateur extérieur, que les ten-20 sions aux fréquences radioélectriques aux bornes de la diode soient déphasées par rapport aux impulsions de courant dans la diode. Avec un déphasage convenable, le courant entre les bornes augmente lorsque la tension aux bornes décroît, créant ainsi une résistance négative. Finalement, une partie de l'éner-25 gie de courant continu appliquée à la diode est transformée en énergie à fréquence radioélectrique dans le résonateur et le circuit constitue une source d'ondes hyperfréquence, d'état solide. Des diodes à avalanche pour oscillateurs à hyperfré-30 quences perfectionnées,connues maintenant dans les pays anglo-saxons sous le nom de diodes IMPATT, sont décrite dans un article de K.D. Smith dans la publication Bell Labs Record, vol. 45 de mai 1967, page 144 sous le titre "The IMPATT diode-A solid state Microwave Generator:i ; dans l'article de T.Misawa 35 "Microwave Si Avalanche Diode with Nearly Abrupt Type Junction" dans les I.E.E. Transactions on Electronic Devices, vol. ED-14, septembre 1967, page 580; et dans le brevet accordé aux Bàd original 70 44387 2 2077549 Etats-Unis d'Amérique à B.C. De Loach Jr. et autres9 Ko. 3 «270.293• • ' Alors' que - la diode de Read est un dispositif à quatre coueheés la'diode--IMPATT récemment étudiée est en l'espèce une 5 diode p+\;n+ ou n+Tf p+ à trois couches seulement, les diodes IMPATT récentes sont capables d'un meilleur rendement que les diodes IMPATT pourvues de la configuration suivant Read. On a montré comment des rendements supérieurs encore peuvent être obtenus en utilisant une diode IMPATT dans un résona-10 teur à cavité"' ayant une résonance à la fréquence IMPATT normale f^ et aussi' une résonance à Q élevé pour une fréquence de sortie f^/n. où. ri est un'nombre entier.' Ce mode d'oscillation est connu sous"le nom de mode TRAPATT5 abréviation pour "trapped plasma avalanche triggered transit "9 c'est-à-dire 15 "transit déclenché par avalanche d'un plasma capturé". Quel que soit le mode de fonctionnement, la puissance de sortie de l'onde ininterrompue'de la diode à avalanche est li~ mitée surtout par la chaleur engendrée, lorsque la fréquence de fonctionnement augmentef"le' diamètre de la pastille doit 20 toujours décroître^ la pastille est plus sujette'à"échauffement, et la puissance' possible est réduite. Les considérations de rendement sont aussi primordiales et9 pour réduire'la résistance en séries les contacts avec'la diôde sont toujours des contacts ohmiques. Pour créer un contaôt ohmique ou non redres-25 seur9 il est généralement nécessaire d'utiliser un semiconducteur de grande conduetivité dans une "'région de transition entre le'contact métallique et la région active, à grande conductivité s, de la diode . Pour résoudre les problèmes précités^ la" présente inven» 30 tion propose une diôde qui comprend une pastille de matière semi-conductrice comprise entre un premier et un second contact5 chacun de ces contacts formant une barrière de Schottky avec la pastille - semi-conductrice « On a trouvé qu1on"pouvait construire une diode à avalan--35 c-he à résistance négative par la simple application de contacts à barrière de Schottky aux faces opposées d'une pastille mas-" sive de sémi-con'dùétëur''d1 une' èondûôtiirité homogène constante. BAD ORIGINAL 70 44387 \ 3 2077549 Ainsi qu'on le sait, le contact à barrière de Schottky est un contact d'un métal avec un semi-conducteur, formant une barrière redresseuse ou jonction, l'opposé d'un contact ohmique ou non redresseur. La diode suivant l'invention fonctionne de la 5 même manière que les diodes à avalanche classiques, sauf que la pastille semi-conductrice entière, entre les contacts métalliques opposés, constitue la région active, ou de transit de courant. La diode s'utilise avec, en principe, le même circuit extérieur que les diodes classiques. 10 La polarisation de tension continue appliquée à cette diode à avalanche à barrières de Schottky polarise en sens inverse l'une des jonctions à barrière de Schottky qui sera dite contact antérieur, et polarise en sens inverse 1'autre qui sera dite contact postérieur. Le contact antérieur est polarisé en 15 sens inverse au-delà de 1:avalanche et, comme décrit plus haut, il y a formation d'une impulsion de courant qui se déplace à travers la région de transit de la pastille- dans le temps de transit fixé. Le contact postérieur est naturellement un contact redresseur plutôt qu'un contact ohmique 5 mais l'expérience et 20 la théorie ont montré l'une et l'autre qu'il n'en résulte pas une augmentation appréciable de la résistance en série de la diode. Ainsi, le rendement du dispositif est comparable à celui des diodes à avalanche à résistance négative classiques. Les études faites par les inventeurs indiquent que la diode suivant 25 l'invention peut être utilisée dans divers circuits pour don-ner un certain nombre de modes de fonctionnementr tels que le mode TRAPATT, d'une maniéré qui sera évidente pour les spécialistes . L'avantage principal de la configuration de la diode 3C suivant l'invention est qu'elle permet 15emploi de semiconducteurs massifs de conductivité constante, plutôt que d:exiger des couches épitaxiales ou des jonctions p--n obtenues par diffusion ou par implantation d'ions. Ceci permet idéalement d'utiliser des semi-conducteurs tels que le diamant dont la 35 conductivité thermique est élevée comme il est souhaitable, mais dans lesquels il n'est pas facile de former des jonctions p-n. Cela offre aussi l'avantage de la commodité de la fabrica- BàD ORfGINAl 70 44387 4 2077549 tion et du réglage, aussi bien de l'épaisseur que de la densité d'impuretés de la pastille» Au surplus, cela permet d'extraire la chaleur des deux côtés de la région semi-conductrice active; le trajet thermique vers les deux contacts métalliques est ré-5 duit au minimum. Sur les dessins; - Figure 1 est un schéma d'un circuit oscillateur à diode à avalanche à résistance, négative . - figure 2 représente schématiquement la diode utilisée 10 dans le circuit de la figure 1. En se référant à la figure 1, on y voit un circuit d'oscillateur comprenant une diode à avalanche à résistance négative 11 reliée à une bobine d'induction 12, à une capacité 13, à une batterie 14 et à une charge 15» la bobine d'induc-15 tion 12 et la capacité 13 constituent ensemble un circuit résonant qui établit une fréquence de sortie à engendrer par la diode 11 et à fournir à la charge 15» Une bobine d'arrêt pour haute fréquence 16 isole la,batterie 14 du courant de sortie à haute fréquence. 20 La diode 11 fonctionne comme, une diode IMPATT. C'est-à- dire qu'une jonction redresseuse de la diode est polarisée en sens inverse par la batterie 14 jusqu'au seuil de déclenchement de l'avalanche, en créant ainsi une impulsion de courant qui se déplace à travers une région de transit du semi-conducteur en 25 un temps- prescrit. Après que l'impulsion de courant ait effectué son transit, la jonction est à nouveau polarisée pour déclencher l'avalanche., une autre impulsion de courant est formée, et le processus se répète de lui-même. Le temps de transit est pris tel, par rapport à la fréquence de résonance du résonateur ex-30 térieur, que les tensions à fréquence radioélectrique aux bornes de la diode sont déphasées, par rapport aux impulsions de eo-urant dans la diode. Ceci établit une. résistance négative, en sorte que l'énergie de courant continue de la batterie 14 peut être transformée en énergie à fréquence radioélectrique, 35 comme cela doit -être dans tout oscillateur. Comme montré plus clairement à la figure 2, la diode T1 comprend une pastille 18 de semi-conducteur massif, et deux bad original 70 44387 5 2077549 contacts à barrières de Schottky 19 et 20. Comme les contacts sont des contacts à barrières de Schottky, ils forment respectivement des jonctions redresseuses 21 et 22 avec la pastille. Dans le circuit de la figure 1, la pastille 18 est de conduc-5 tivité de type n et la batterie 14 polarise en sens inverse la jonction 21 et polarise en sens direct la jonction 22. La polarisation en sens inverse suffit pour produire périodiquement le phénomène d1 avalanche et une résistance négative à temps de transit comme décrit plus haut. On remarquera que la pastille 10 18 tout entière constitue la région de transit active de la diode 5 les impulsions de courant se déplacent du contact antérieur 19 au contact postérieur 20. L'avantage principal de la diode de la configuration de la figure 2 est que la pastille 18 est un semi-conducteur massif 15 de conductivité constante. Comme il ne faut pas de jonction p-n dans la pastille, l'invention permet d'utiliser des semiconducteurs nouveaux tels que le diamant et le sulfure de cadmium. Cela offre aussi l'avantage de la commodité de fabrication et de réglage, aussi bien de l'épaisseur que de la densité 20 d'impuretés de la pastille. La manière dont les contacts à barrières de Schottky 19 et 20 sont formés sur la diode est dans 1:ordre des connaissances d'un spécialiste.La pastille peut être d'une matière semi-conductrice ordinaire telle que le silicium, le germanium 25 ou l'arséniure de gallium, et les contacts peuvent être de diverses matières. Les contacts doivent, bien entendu, être réguliers, n'avoir pas de "fuites" et se conformer en général à une bonne pratique industrielle. Tant l'expérience que la théorie ont montré que le contact postérieur 20 ne constitue pas 30 une grande résistance en série pour le courant de la diodej et ne diminue pas sensiblement le rendement. La résistance aux fréquences radioélectriques est petite parce que la capacité par unité de surface de la jonction à barrière de Schottky polarisée en sens direct est grande et shunte presque complète-35 ment la résistance de la jonction. La résistance au courant continu est petite parce que la tension à travers une jonction à barrière de Schottky polarisée en sens direct est petite. BAD ORfrsifcjAl. 70 44387 6 2077549 Gomme mentionné précédemment9 la diode suivant l'invention peut être utilisée dans d'autres circuits que celui de la figure 1s et elle convient en particulier, pour être utilisée dans un circuit oscillant fonctionnant suivant le mode TRAPATT. 5 Une diode au silicium de type n typique avec des contacts à barrières de Schottky , en siliciure de platine peut être faite avec les paramètres suivants g épaisseur de la pastille s 7 o 10 mm. —3 diamètre du contact : 250 . 10 mm. 10 niveau de dopage de la 15 3 pastille :^3 x 10 porteurs/cm . et fréquence de fonctionnement s /vy 9 gigahsrts. Le carbure de silicium se recommande aussi comme matière pour constituer les pastilles parce qu'il a une grande conductivité thermique et d'autres qualités. BAD original 70 44387 7 2077549 REVENDICATIONS 1.- Oscillateur à haute fréquence comprenant une diode semi-conductrice à jonction» des moyens pour polariser la diode en sens inverse pour l'amener au seuil de déclenchement de 5 l'avalanche, des moyens pour définir une région de transit de courant dans le semi-conducteur, cette diode étant montée dans un circuit résonant d'oscillateur à fréquence en rapport avec le temps de transit de la région de transits caractérisé en ce que la diode comprend une pastille de matière semi-condue- 10 trice comprise entre un premier et un second contact, le premier et le second contact formant chacun une barrière de Schottky avec la pastille semi-conductrice. 2.- Oscillateur à haute fréquence suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pastille est d'une matière 15 semi-conductrice massive ayant une conductivité sensiblement constante sans jonctions p-n. 3. - Oscillateur à haute fréquence suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la pastille est faite d!une matière dans laquelle il est impossible de former une jonction 20 p-n. 4.- Oscillateur à haute fréquence suivant la revendication 3j caractérisé en ce que la pastille est faite de diamant. BAD ORIGINAL *