Brevet FR2120165A1 — publié le 19720811

La présente invention concerne un circuit électronique comprenant une diode constituée d'une galette de semi-conducteur comprise entre des premier et second contacts, la diode contenant deux jonctions redresseuses dont l'une est une jonction à barriè-5 re de Schottky formée par le premier contact et la galette. Plus particulièrements des circuits à résistance négative sont utilisés, selon 1'inventions comme oscillateurs, amplificateurs et limiteurs de tension» On sait comment une diode à avalanche à couches multi-10 pies (diode Read) peut être réalisée en sorte de présenter une résistance négative et, lorsqu'elle est placée dans un circuit résonant convenable,d5 engendrer des oscillations hyperfréquen-ces. Une tension continue, conjointement au circuit résonant, polarise périodiquement une jonction pn jusqu'au seuil dsava-15 lanche, créant ainsi des impulsions de courant traversant chacune une région de transit dans une période de temps prescrite» Ce temps de transit est agencé compte tenu de la fréquence de résonance du résonateur extérieur de telle sorte que des tensions radiofréquences dans les électrodes de la diode sont dé-20 phasées sur les impulsions de courant dans la diode» Le courant dans le circuit croît à mesure que la tension entre les électrodes diminue, établissant ainsi une résistance négative et convertissant une partie de l'énergie de courant continu appliquée à la diode en énergie radiofréquenoe dans le résonateur, 25 On connaît également des diodes à avalanche à oscilla tion hyperfréquence perfectionnéess connues aussi sous le nom de diodes Impatt. Alors que la diode Read est tin dispositif à quatre couches, la diode Impatt consiste typiquement en une structure p *«n ou n p avec trois couches seulement, mais elle 30 fonctionne suivant le même principe. On a également proposé une autre forme de diode Impatt comprenant une galette de semiconducteur contenue entre deux contacts opposés à couche d5arrêt de Schottky. Une des jonctions est périodiquement polarisée en inverse jusqu'au seuil d5avalanche, créant ainsi des impulsions 35 de courant qui traversent une région de transit déterminée par la galette de semi-conducteur. Comparée aux autres sources hyperfréquences à état solide, la diode Impatt engendre assez bien de bruit. Le bruit engendré peut être réduit en élevant le facteur de qualité Q du 40 résonateur micro-onde, mais cela réduit aussi malencontreusement 71 47680 2 2120165 le rendement. Malgré ce compromise, la diode Impatt est cependant considérée actuellement comme présentant une supériorité globa-le sur les autres dispositifs tels que la diode tunnel, la diode à effet Gunn et le transistor micro-onde. 5 L'invention a pour objet un circuit électronique qui ne présente pas les inconvénients évoqués ci-dessus. Ce circuit comprend une galette suffisamment mince pour que la tension de bande plate et la tension critique entre les premier et second contacts soient plus petites que la tension de seuil d'avalan-10 che. Des moyens sont prévus pour polariser la jonction à barrière de Schottky dans le sens direct jusqu'à une valeur comprise entre la tension critique et la tension de bande plate„ la barrière de porteurs minoritaires de cette jonction étant notablement plus petite que la moitié de l'intervalle entre bandes 15 d'énergie de la galettep ce qui permet le phénomène de conduction par infection copieuse de porteurs de charges minoritaires. C'est au cours d'essais expérimentaux sur les diodes Impatt du type décrit plus haut que la demanderesse a relevé certaines propriétés anormales qui contredisent apparemment la 20 théorie généralement admise. Une analyse fouillée du dispositif a permis de constater que, dans certaines conditions, il est capable de laisser passer un courant appréciable par injection de porteurs minoritaires. Cette constatation est assez surprenante puisque le conduction de porteurs minoritaires est habituel. 25 lement tellement petite dans les diodes à barrière de Schottky qu'elle peut être négligée sans inconvénient. Il a été constaté cependant qu'avec un circuit approprié et des paramètres appropriés pour le dispositifp la conduction des porteurs minoritaires est non seulement appréciable^ mais elle est la base d'un 30 nouveau phénomène de résistance négative conformément à l'invention. Un oscillateur réalisé selon l'invention travaille largement comme un oscillateur à diode Impatt sauf que l'impulsion de courant dans le dispositif est produite par injection de por-35 teurs minoritaires à une jonction à barrière de Schottky polarisée dans le sens direct, plutôt que par multiplication des porteurs minoritaires par avalanche. Avec des paramètres appropriés* une injection copieuse de porteurs minoritaires commence à une tension critique de pénétration»inférieure au seuil d'avalanche 40 afin de produire une impulsion de courant ayant un temps de tran 71 47680 3 2120165 sit dans la galette semi-conductrice de la diode tel qu.®iIL.se.produise une résistance négative» Une telle diode peut aussi être utilisée comme limiteur de tension9 c 5 ast-à-dire que lorsque la tension appliquée dépasse le seuils une conduction appréciable se 5 produit„ qui limite la tension transmise. Pour qu'il y ait résistance négative par injection de porteurs minoritaires avec polarisation dans le sens direct, les exigences suivantes doivent être satisfaitess 1. le contact de la diode ^polarisé dans le sens direct doit for-10 mer une jonction à barrière de Schottky, bien que la jonction polarisée en inverse ne doive pas nécessairement être une barrière de Schottky; 2. la région active de la galette doit être suffisamment mince pour donner une tension critique avant le seuil d'avalanche. Le 15 gradient de tension résultant de la polarisation appliquée doit étendre la distance entière entre les jonctions polarisée dans le sens direct et polarisée en sens inverses, mais cette tension ne doit jamais dépasser le seuil d'avalanche? 3. la tension de bande plate de la galette à la jonction polari-20 sée dans le sens direct doit être inférieure à la tension de seuil. La tension de bande plate est la tension à laquelle les niveaux d'énergie représentatifs du bord inférieur de la bande de conduction et du bord supérieur de la bande de valence sont uniformes ou plats pour une distance appréciable depuis la jcnctiai 25 polarisée dans le sens direct jusque dans la galette; cela résulte d'un champ électrique nul à la jonctions 4. la barrière des porteurs minoritaires à la jonction à barrière de Schottky doit être suffisamment faible pour donner une injection directe élevée à la tension de bande plate. Cette con- 30 dition est satisfaite si la barrière desporteurs minoritaires est plus petite que la moitié de l'intervalle entre bandes de conduction et de valence; 5. si le dispositif doit être utilisé comme dispositif à résistance négative à temps de transitp la longueur active de la 35 galette doit être réglée pour donner un temps de transit de courant entre les jonctions égal aux trois quarts approximativement d'une période d'oscillation à la fréquence de résonance. Ces conditions étant satisfaites5 une résistance négative peut être obtenue de la diode pour des valeurs de pola-40 risation inférieures au seuil d'avalanche. Comme le courant 71 47680 4 2120165 résulte de l'injection de porteurs Biuorltaires avec polarisation directe plutôt: que de la œxltiplxcation par avalanche v le facteur de bruit se trouve être beaucoup plus petit que celui de circuits comparables à diodes Ispatt. Lorsqu'il est utilisé 5 comme limiteur de tension. f le dispositif selon 11 invention offre 1 * avantage d'avoir une vaxtaticm de tension pins faible et d * être de réalisation piuss facile. L'invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre» faite en regard des dessins 10 joints sur lesquels s - la figure 1 est un schéma d*un exemple de forme de réalisation selon lr inventioni - la figure 2 est un diagramme de tension en fonction du teaps; - la figure 3 est un diagramme de courant en fonction du taaps; 15 - la figure 4 représente schématiquement la diode de la figure 1; - la figure 5 à 11 sont des diagrammes de tension et d'énergie en fonction de la distance correspondant à la diode de la figure 4; - la figure 12 est un diagramme de densité de courant en fonc— 20 tion de la tension d'une diode selon la figure 4j - la figure 13 est un diagramme de la concentration des porteurs de charges en fonction de la distance pour une diode selon la figure 4; - les figures 14 et 15 sont des schémas de deux autres exemples 25 de forme de réalisation de 1;invention. La forme de réalisation illustrée à la figure 1 est un circuit oscillateur comprenant une diode 11 polarisée par une source de courant continu 12 et contenu un montage compre nant un résonateur 13 et une charge 14. La diode 11 comprend 30 une galette de semi-conducteur 16 enfermée entre des contacts opposés à barrière de Schottky 17 et 18. Le résonateur 13 est représenté schématiquement et comprend une capacité 20 et une inductance 21„ quoique dans la pratique il s*agirait d'un résonateur à cavité micro-onde. 35 La diode 11 développe une résistance négative qui lui permet de convertir 15énergie de courant continu de la source 12 en énergie radiofréquence» par des procédés similaires à ceux qui prévalent dans la diode Impatt. La diode 11 fait circuler un courant dans le circuit pendant les parties négatives de la 40 période de la tension radiofréquence. Ce phénomène est illustré 71 47680 5 2120165 graphiquement aux figures 2 et 3 sur lesquelles la courbe 22 représente la tension appliquée à la diodë et la courbe 23 représente le courant;, en fonction du temps* Suivant 1s invention pratiquement aucun courant ne 5 traverse la diode avant que la tension s'approche d'une valeur de seuil VFB qui déclenche une impulsion de courant dans la diode. La longueur de la diode est dimensionnée en fonction de la vitesse des porteurs de charges en manière telle que 1"angle de transit soit approximativement 3* /4S c'est-à-dire que le 10 temps nécessaire pour que l'impulsion de courant traverse la galette de la diode est approximativement égal aux trois quarts d'une période de la composante radiofréquence. Il en résulte qu'un courant parcourt le circuit pendant la partie négative de la période de tension, en opposition avec la tension* Ainsi, 15 les parties ombrées sur les figures 2 et 3 représentent une résistance négative, tandis que les parties claires de ces diagrammes, pour lesquelles le courant et la tension sont en phase, représentent une résistance positive. On voit de la sorte que pour un angle de transit convenable on peut obtenir une résis-20 tance négative nette appréciable. Alors que le fonctionnement de la diode Impatt est basé sur le phénomène de la multiplication des porteurs de charges par avalanche afin de former les impulsions de courant requises pendant le temps de transit, l'invention fait usage 25 d'un phénomène d'injection de porteurs de charges minoritaires, nouvellement découvert. Pour expliquer ce phénomène, on se reportera aux figures 4 à 11. La figure 4 montre schématiquement la diode 11 de la figure 1. Le contact 17 forme avec la galette semi-conductrice 16 une jonction à barrière de Schottky 25, le 30 contact 18 formant une autre jonction similaire 26 avec la galette 16. Le diagramme des bandes d'énergie de la diode 11 au point d'équilibre thermique est présenté à la figure 5 sur laquelle la courbe 27 est la limte inférieure de la bande de 35 conduction, la courbe 28 est la limite supérieure de la bande de valence et E^, est le niveau de Fermi. La galette est choisie en une matière de type n. Les symboles et $n2 représentent les hauteurs des barrières desporteurs majoritaires aux jonctions 25 et 26, respectivement. VD1 et VD2 sont les potentiels résultant des barrières, et L est l'épaisseur de la galette. 71 47680 6 2120165 La barrière qu'oppose la jonction 26 aux porteurs minoritaires (en trous) a une hauteur indiquée-par $p2° Avec la tension appliquée comme montré à la figure 1 , le contact 17 est polarisé négativement c polarisant ainsi 5 la jonction 25 en sens inverse tandis que le contact 18 est polarisé positivement, polarisant ainsi la jonction 26 en sens direct. A mesure que croît la tension appliquée, la somme des largeurs des deux régions de déplétion croît également. Enfin, à une tension critique les deux régions de déplétion se 10 touchent et la somme de leurs largeurs est exactement égale à L„ Ce cas est illustré par la figure 6 qui montre le champ électrique E en fonction de- la distance x. La figure 7 montre la variation correspondante du niveau d'énergie des limites 27 et 28 des bandes à la suite de l'application d'une tension selon 15 la figure 6. Lorsque la tension continue à croîtres le champ électrique à la distance L, c'est-à-dire à la jonction 26, devient zéro. Ce cas est illustré à la figure 8. A cette tension critique, les limites 27 et 28 des bandes d'énergie s'étendent 20 horizontalement à la partie de la jonction 26 comme le montre la figure 9; en d'autres mots, elles sont plates. Se trouve ainsi déterminée la tension de bande plate VFg indiquée sur la figure 9. Un nouvel accroissement de la tension donne lieu à une distribution du champ électrique comme montré à la figu-25 re 10 et à une allure des bandes d'énergie comme illustré à la figure 11. La tension maximale qui peut être appliquée est évidemment limitée par le seuil d'avalanche à la jonction 25, polarisée en sens inverse. Le départ de courant à une tension s5approchant 30 de VFB (voir figure 2) peut être apprécié par ce qui suit. Lorsque la tension est atteintes un champ électrique s'étend sur toute l'épaisseur de la galette et il est possible pour un porteur de charge minoritaire 30 d'être injecté par la jonction 20 et d'être propagé à travers la galette. Ordinaire-35 ment, le courant de porteurs minoritaires dans une diode à barrière de Schottky peut être négligé car étant petit comparé au courant des porteurs majoritaires. Sur la figure 6, toutefois, la jonction 25 ayant la hauteur de barrière d'énergie empêche l'injection de porteurs majoritaires et, comme la 40 galette est complètement appauvrie, le courant de porteurs 71 47680 7 2120165 minoritaires peut être relativement appréciable L'accroissement de courant résultant est montré à la figure 12 sur laquelle la courbe 31 montre que le courant ne croît que lentement avec la tension jusqu'à la tension 10 puis il augmente brusquement jusqu'à line valeur maximum à la tension Ensuite le courant croît encore 9 mais modérément jusqu'à ce que soit atteinte la tension de seuil d5avalanche V A celle-ci, le courant élevé résulte évidemment de la génération de porteurs de charges majoritaires par multiplication par 15 effet d-avalanche. Il est clair que le mécanisme entrant en jeu selon l'invention exige que les tensions et VFB soient toutes deux inférieures à la tension de seuil Vg. On peut également voir intuitivement que le courant à la tension VFB est fonction de la 20 hauteur de barrière indiquée à la figure 5s ce courant croît à mesure que diminue la hauteur Cela a été montré expéri mentalement et est illustré à la figure 12 sur laquelle la courbe 32 montre que» avec une hauteur de barrière beaucoup plus élevée que celle qui correspond à la courbe 31„ il n'y a pas 25 de tension de bande plate et pas d'accroissement de courant appréciable avant que soit atteinte la tension de seuil Yg. Ces considérations conduisent à l'exigence selon laquelle la hauteur de la barrière des porteurs minoritaires doit être plus petite que la moitié de l'intervalle S entre la bande de conduction et 30 la bande de valence» soit v $P2 « La construction des contacts à barrière de Schottky pour donner une hauteur de barrière voulue fait appel à des considérations bien connues dans le domaine de l'art. Avec une galette de si-35 licium, des contacts en siliciure de platine peuvent être appliqués pour donner une barrière de hauteur suffisamment faible. Le césium ou le magnésium peut convenir pour du silicium de type p, le platine est recommandé pour de 1 sarséniure de gallium de type ns et l'or paraît convenable pour du germanium de type n* 40 En résumé, la diode de la figure 1 doit satisfaire aux 71 47680 8 2120165 exigences suivantes s 1) le contact de la diodes polarisé dans le sens direct„doit former line jonction à barrière de Schottky; 2) la région active de la galette doit être suffisamment mince 5 pour que la tension critique VRT soit plus petite que la tension de seuil d'avalanche; 3) la tension de bande plate de la galette à la jonction à barrière de Schottky doit être inférieure à la tension de seuil; 4) la barrière des porteurs minoritaires doit être plus petite 10 que la moitié de l'intervalle entre bandes d'énergie; 5) pour un rendement optimal» le temps de transit du courant dans la galette doit être égal approximativement aux trois quarts d'une période d'oscillation à la fréquence de résonance» On remarquera qu'il n'est pas nécessaire que la jonc-15 tion 25 soit une jonction à barrière de Schottky., Elle doit cependant être une jonction redresseuse avec une barrière convenable pour empêcher l'injection de porteurs majoritaires qui autrement submergerait la conduction des porteurs minoritaires» Si une jonction pn est utilisée» la région active n'est que la 20 partie de la galette comprise entre la jonction pn et la barrière de Schottky polarisée dans le sens directe Bien que l'on ait supposé jusqu'ici que la galette de type n a un niveau de dopage constant, le rendement de la diode peut être accru en utilisant un dopage non uniforme comme illus-25 tré par la figure 13 qui montre la concentration des porteurs majoritaires en fonction de la distance. Le but de ce profil de concentration est d'assurer un champ électrique élevé dans une grande partie de la région de transit pendant l'entièreté du cycle de fonctionnement du dispositif. 30 Avec une concentration uniformes le champ électrique est prévu pour s'approcher de zéro à la jonction polarisée dans le sens direct comme expliqué plus haut. Cela signifie que des porteurs injectés parcourent une distance appréciable dans une région de faible champ et de faible vitesseP où leur vitesse 35 est fonction du champ oscillant. Les variations résultantes de la vitesse donnent lieu à une dispersion nuisible. Toutefois9 avec une concentration non uniforme comme illustré à la figure 13, la plus grande partie de la variation de tension se produit dans la région à forte concentration immédiatement adja-40 cente à la jonction 26 polarisée dans le sens direct. Comme il 71 47680 9 2120165 y a peu de fluctuations dans le restant de la galette, l'impulsion de courant subit l'influence d'un champ élevé pendant presque toute sa période de transit;, ce qui augmente le rendement. Avec une galette de silicium de type n de 10 mi- 5 crons de long, il est possible que soit égale à neuf microns et L0 égale à un micron. La concentration la plus faible 14-3 peut être de 10 cm tandis que la concentration la plus for- 16 —^ te N2 dans la région L^ peut être de 10 cm . Quels que soient les niveaux de concentration utilisés, la galette doit satis-10 faire aux cinq conditions énumérées plus haut, et une telle optimisation du rendement constitue un problème de réalisation qui dépend dans une grande mesure du semi-conducteur utilisé. La figure 14 montre l'utilisation de la diode 11A, qui satisfait aux critères de la diode 11 sur la figure 1, comme 15 amplificateur. La diode est polarisée au voisinage de sa tension de bande plate par une batterie 34. L'énergie du signal provenant de l'antenne 35 est transmise à la charge 36 à travers la diode. Comme on peut le voir en se référant à la figure 2, chaque fois qu'un signal de courant alternatif s'approche de la 20 tension VFfî, une impulsion de courant est induite dans la diode, amplifiant ainsi le courant appliqué. Le circuit amplificateur peut ainsi être utilisé comme régénérateur d'impulsion ou comme amplificateur d'ondes modulées en fréquence ou en phase. La figure 15 montre l'utilisation d'une diode 11B, 25 du type illustré à la figure 4, comme limiteur. Une batterie 38 polarise la diode 11B à une tension qui est inférieure à la tension de bande plate,d'une valeur égale à la valeur de la tension limitée. Un signal à limiter est transmis d'une antenne 39 à une charge 40. Si l'on désire limiter la tension transmise 30 à trois volts, par exemple, la diode 11B est polarisée à une tension continue qui est de trois volts inférieure à la tension de bande plate. Aussi longtemps que la tension du signal transmis ne dépasse pas trois volts, la diode est non conductrice, et le 35 signal est transmis normalement à la charge 40. Toutefois, si la tension du signal est suffisante pour élever la polarisation de la diode jusqu'à la tension de bande plate VFB> la diode devient conductrice et constitue une dérivation à basse impédance vers l'impédance dissipatrice 41.-40 Un avantage d'un limiteur selon l'invention est que 71 47680 10 2120165 la "tension de limitation peut être rendue plus petite que celle de limiteurs de tension analogues dont le fonctionnement est basé sur le phénomène d'avalanche. Un autre avantage est que la tension de bande plate peut être aisément réglée en sorte d'as-5 surer une limitation de tension à un niveau quelconque comme souhaité au cours de la réalisation d'un circuit. On peut montrer que, pour un semi-conducteur ayant une concentration de porteurs de charges uniforme, la tension de bande plate est liée à la concentration et à l'épaisseur de la galette par l'expres- 10 Sl0n q NnL2 VFB " ~TX S où est la concentration des porteurs majoritaires, L est l'épaisseur de la galette 6g est la permittivité diélectrique de la galette. 15 Avec une galette de silicium, des contacts à barrière de Schottky en siliciure de platine, une épaisseur de galette 1 ^5 —^ de 7 microns et une concentration de 5x10 -^cm , la tension de limitation est d'environ deux volts, ce qui est sensiblement plus petit que la tension qu'assure d'autres limiteurs. 20 Par exemple, les limiteurs au silicium basés sur le phénomène d'avalanche ne peuvent être utilisés pour des tensions de limitation inférieures à huit volts environ, tandis que les limiteurs à diode tunnel au silicium sont limités à cinq volts environ. De plus, avec des limiteurs des deux types précités, la 25 tension de limitation est déterminée uniquement par le niveau de dopage, tandis que dans le dispositif selon l'invention, les paramètres et L peuvent varier indépendamment l'un de l'autre afin de donner un grand degré de liberté comme la chose est souvent requise dans les réalisations à circuits intégrés. 30 II est entendu que le limiteur n'est pas un dispositif à résistance négative et à temps de transit, et que dès lors il ne doit point satisfaire à la condition (5), mentionnée précédemment, selon laquelle le temps de transit est lié à la fréquence de résonance. Les quatre autres conditions concernent généralement 35 l'injection fructueuse de porteurs minoritaires ce qui est également requis dans la diode limitatrice selon l'invention. 71 47680 n 2120165 REVENDICATIONS 1» Circuit électronique comprenant une diode consti tuée d:une galette de senu-conducteur comprise entre des premier et second contacts9 la diode contenant deux jonctions redresseuses dont 1'une est une jonction à barrière de Schottky formée par 5 le premier contact et la gaMtce, caractérisé en ce que la galette est suffisamment mm^-r viîur que la tension de bande plate et la tension critique entre les premier et second contacts soient plus petites que la tension de seuil d'avalanche,et en ce qu'il comprend des moyens pour polariser la jonction à bar-10 rière de Schottky dans le sens direct jusqu'à une valeur comprise entre la tension critique et la tension de bande plate9 la barrière de porteurs minoritaires de cette jonction étant notablement plus petite que la moitié de 1:intervalle entre bandes d5 énergie de la galettes ce qui permet le phénomène de 15 conduction par injection copieuse de porteurs de charges minoritaires o 2 o Circuit selon la revendication 1„ caractérisé en ce que les moyens de polarisation;, la diode et le circuit sont agencés en sorte que la tension dans la galette n-atteigne ja-20 mais la tension de seuil d'avalanche, 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que la diode est incluse dans un circuit résonant ayant une fréquence de résonance fs en ce que le temps de transit des porteurs minoritaires entre les jonctions redresseuses est de 25 l'ordre des trois-quarts d'une période d"oscillation à la fréquence fj et en ce que les moyens de polarisation comprennent une source d'énergie de courant contenu en sorte telle que cette énergie de courant contma soit convertie en énergie oscillatoire de fréquence f„ 30 4„ Circuit selon la revendication 2., caractérisé en ce que la diode est polarisée dans le sens direct par une source de courant continu à une tension inférieure à la tension de bande plate, et est en cutre polarisée dans Le sens direct par une composante de signal, de telle manière que l'injection de 35 porteurs minoritaires se produise lorsque ia somme de la composante de courant continu et de la composante de signal dépasse la tension critiquée 5» Circuit selon la revendication 4P caractérisé en ce que la diode shunte vers une impédance dissipative la ligne - \ BAD ORIGINAL ï 71 47680 12 2120165 de transmission propageant ie signal, en sorte que la diode limite la tension du signal sur la ligne de transmission. 6, Circuit selon la revendication 23 caractérisé en ce Que la concentration des porteurs majoritaires de la galette est notamment plus élevée dans une région limitée située à proximité Immédiate de la jonction à barrière de Schottky que dans le restant de la galettes permettant ainsi à un champ électrique relativement plus élevé dans le restant de la galette d * augmenter le rendement pendant le temps de transit des porteurs.