Brevet FR2115412A1 — publié le 19720707

La présente invention concerne un dispositif semiconducteur à effet de champ utilisable comme commutateur à l'état solide et dont les caractéristiques de résistance négatives peuvent être commandées au moyen d'un champ électrique. 5 D'une manière classique, des thyristors à effet de champ ont été proposés comme dispositifs semiconducteurs dont les caractéristiques de résistance négatives peuvent être commandées et réglées au moyen d'un champ électrique. Un but de la présente invention est de réaliser un dis-10 positif semiconducteur à effet de champ perfectionné plus stable et capable de supporter des intensités de courant plus fortes que les thyristors classiques. Un autre but de l'invention est de réaliser un commutateur du type sans contact, utilisant un thyristor à effet de 15 champ et un élément à effet Hall, qui soit de construction simplifiée, puisse être fabriqué à un bas prix de revient, et soit capable d'effectuer une opération de commutation ou interruption du type marche-arrêt. D'autres buts, particularités et avantages de l'inven-20 tion apparaîtront à la lecture du complément de description qui suit et à l'examen des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins concernent différents modes de réalisation de l'invention choisis à titre d'exemples non limitatifs et sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. 25 La fig. 1, de ces dessins, montre en coupe, à une échelle très agrandie, un dispositif semiconducteur à effet de champ é-tabli selon un premier mode de réalisation de l'invention. La fig. 2 est un diagramme de circuit équivalent du dispositif représenté fig. 1. 30 La fig. 3 illustre les caractéristiques tension-intensité de courant (respectivement V en volts portée en abscisses et I portée en ordonnées) du dispositif représenté fig. 1. La fig. 4 montre les caractéristiques de variation de la tension V0 en volts (portée en ordonnées) en fonction de 35 la résistance Rs en ohms (portée en abscisses) pour le dispositif représenté fig. 1. La fig. 5 montre les caractéristiques de variation de la tension Vtii en volts (portée en ordonnées) en fonction de la tension V„ en volts (portée en abscisses) pour le dispositif (3 40 représenté fig. 1. 71 42324 2 2115412 La fig. 6 montre, semblablement à la fig. 1, un dispositif établi selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La fig. 7 illustre les caractéristiques tension-intensité de courant (respectivement portées en abscisses et en ordonnées), 5 comme dans la fig. 3, mais pour le dispositif de la fig. 6. La fig. 8, enfin, est un diagramme de circuit d'un commutateur sans contact réalisé conformément à l'invention. Si on considère la fig. 1, on y trouve représenté un exemple de réalisation du dispositif compris dans la portée de 10 la présente invention et qui comprend essentiellement un substrat semiconducteur 1 de type n, des régions 2 et 3 de type p formées dans le susdit substrat 1 de type n, une région 4 de type n formée dans la région 3 de type n, une couche isolante 5, une électrode 6 établie sur la région 2 de type p, une électrode 7 éta-15 blie sur la région 4 de type n, une électrode 8 établie sur la couche isolante 5, et une électrode 9 établie sur le substrat semiconducteur 1. Les thyristors a effet de champ classiques ne comportent pas l'électrode 9 représentée fig. 1. Afin que l'intensité de 20 courant passant entre les électrodes 6 et 7 puisse être- commandée pour marche-arrêt, il est nécessaire que l'on utilise un courant électrique passant au travers d'un canal établi dans la surface semiconductrice sous l'électrode 8. Dans ce cas, toutefois, il surgit un inconvénient : l'intensité d'un tel courant passant 25 dans un tel canal ne peut pas être très forte. Conformément à la présente invention, on élimine l'inconvénient sus-mentionné en équipant additionnellement l'élément classique d'une électrode 9. Si l'on considère la fig. 2, il s'agit d'un diagramme de 30 circuit correspondant à un exemple du dispositif compris dans la portée de l'invention et dans lequel une résistance Rg est connectée entre une résistance de charge RT et les électrodes 6 J_i et 9. Les caractéristiques d'intensité de courant-tension observables entre les électrodes 6 et 7 sont telles que représen-35 tées fig. 3, de l'examen de laquelle il ressort que le dispositif est commuté de l'état "arrêt" à l'état "marche" au point correspondant à la tension et que la tension est ramenée à VR quand le dispositif est commuté de 1'état "marche" à l'état "arrêt". La valeur de V_, dépend de R et, au fur et à mesure que R dimi-R s . s 40 nue, et VR se rapprochent et finalement se confondent, comme 71 42324 3 2115412 le montre la fig. 4. Autrement dit, un accord intervient entre la tension VD à laquelle le dispositif est commuté de l'état "marche" à l'état "arrêt" et la tension à laquelle le dispositif est commuté de l'état "arrêt" à l'état "marche". Si on 5 admet maintenant qu'une tension de déclenchement soit appliquée à l'électrode 8 avec R = 0, ou avec les électrodes 6 et 9 se trou- s vant en court-circuit, alors pourra varier comme le montre la fig. 5. Lorsqu'une tension de déclenchement positive est appliquée, croît, tandis que lorsqu'une tension de déclenche-10 ment négative est appliquée, V^.h décroît. Ceci implique la possibilité de faire passer le commutateur en position de marche ou d'arrêt avec la tension de déclenchement parce que = VR. C'est seulement pour les besoins de l'explication que les régions de type n et de type p ont été particulièrement choisies ; ces 15 régions peuvent être interchangées sans modifier le principe de la présente invention. Il est possible aussi de construire le commutateur à effet de champ compris dans la portée de l'invention sous la forme npnpn ou pnpnp comme le montre la fig.6. Dans ce cas, le 20 commutateur sert de commutateur bidirectionnel. Le dispositif illustré fig. 6 comporte un substrat semiconducteur 10 de type n, des régions 11 et 12 de type p, des régions 13 et 14 de type n, une couche isolante 15, et des électrodes respectives 16, 17, 18 et 19. Avec une telle construction, il est possible d'établir 25 des caractéristiques de résistances négatives bidirectionnelles telles que représentées fig. 7, et dans ce cas est admise à varier avec la tension de déclenchement dans les deux directions en même temps. Comme semiconducteur, on peut utiliser Ge, Si, GaAS, GaP et InAs, tous matériaux bien connus des spécialis-30 tes. Il convient de décrire maintenant un exemple concret de mise en oeuvre de la présente invention, dans lequel on forme une structure du type de celle représentée fig. 1 dans un semiconducteur constitué par du silicium de type n en ayant recours 35 à une technique classique de diffusion d'une impureté. Les caractéristiques intensité de courant-tension observées avec Rs=0 dans un tel circuit correspondant au schéma de la fig. 2 représentent une résistance négative comme le montre la fig. 3, dans laquelle Vth et VR se confondent. Vth dépend de la distance in-40 terjonctions entre les régions de type p, et se trouve comprise 71 42324 4 2115412 entre plusieurs volts et plusieurs centaines- de volts. La fig. 5 montre comment V,. varie en fonction de la tension de déclenche-th ment. Comme couche isolante, on peut communément utiliser une pellicule d'oxyde, une pellicule de nitrure ou analogues. Avec 5 cette construction, il est possible de commander et régler une intensité de courant comprise entre plusieurs dizaines de milli-ampères et plusieurs ampères. La possibilité de commander et régler des intensités de courant aussi fortes constitue la particularité la plus significative de la présente invention. 10 On décrit ci-après un autre exemple de mise en oeuvre de la présente invention. Le dispositif représenté fig.l est connecté avec un circuit tel que celui représenté fig. 8 et dans lequel H est un élément de Hall, Rl et des résistances, A une borne anodique, G 15 une borne de porte (pour application d'un signal de déclenchement) et K une borne cathodique ; les autres références indiquent des électrodes et correspondent à celles utilisées dans les fig. 1 et 2. Les caractéristiques intensité de courant-tension appa-20 raissant entre les électrodes 6 et 7 sont assimilables à celles décrites ci-dessus en se référant à la fig. 3. représente la tension électrique de commutation. L'élément possède une nature telle qu'il se trouve ramené d'un état de "marche" à un état d' "arrêt". En modifiant la résistance de l'élément de Hall H à 25 l'aide d'un champ magnétique avec application d'une tension à la borne de porte de déclenchement G, il en résulte une variation de la tension appliquée à l'électrode de déclenchement 8. On a découvert que la relation entre la tension de déclenchement v„ et est sensiblement la même que les caractéristiques décri- 30 tes ci-dessus en se référant à la fig. 5. La tension V"th peut être augmentée ou diminuée selon la polarité de la tension de déclenchement Vç. Par conséquent, une commande de marche-arrêt est réalisable à l'aide d'un champ magnétique. Dans ce cas aussi, c'est uniquement pour faciliter les explications que les régions 35 de type n et de type p ont été particulièrement déterminées ; ces régions peuvent être interchangées. Comme semiconducteur, on peut se servir de Ge, Si, GaP, GaAs, InAs ou Sic, tous matériaux bien connus des spécialistes. Pour constituer l'élément de Hall, on peut utiliser inSb, une diode au germanium p-i-n ou analogues. 40 On va encore déçrire un autre exemple concret de dispo 71 42324 5 2115412 sitif compris dans la portée de la présente invention. Un thyris-tor à effet de champ ayant une construction telle que celle représentée fig. 1 est formé dans un semiconducteur constitué par du silicium de type n par mise en oeuvre de la technique classi-5 que de diffusion d'impureté, et un commutateur sans contact comportant des connexions telles que celles représentées fig. 8 est construit en se servant d'un élément de Hall constitué par InSb. On réalise sur ce thyristor à effet de champ une commande du type marche-arrêt en changeant la résistance de l'élément de 10 Hall grâce à un aimant permanent et à une tension appliquée à la porte de déclenchement du dispositif. On a constaté que la relation entre la tension de commutation et la tension de déclenchement Vç est sensiblement identique aux caractéristiques décrites ci-dessus en se référant à la fig. 5. En principe, les 15 résistances RT et R_ peuvent être présentes ou absentes. Le Li point essentiel est que l'élément de Hall soit connecté au circuit de déclenchement du thyristor à effet de champ. Comme on l'a décrit ci-dessus en détail, le dispositif semiconducteur à effet de champ compris dans la portée de la pré-20 sente invention agit à la manière d'un commutateur du type sans contact, capable d'exercer une commande du type marche-arrêt sur un courant électrique d'une intensité comprise entre plusieurs dizaines de milliampères et plusieurs ampères simplement en modifiant la tension de déclenchement. 25 En outre, le dispositif semiconducteur à effet de champ faisant l'objet de l'invention est sensible à la lumière ;c'est-à-dire que 1'on peut faire varier la tension de commutation en exposant à la lumière la surface supérieure du dispositif semiconducteur à effet de champ. Par conséquent, le dispositif semi-30 conducteur à effet de champ compris dans la portée de la présente invention est utilisable comme élément efficacement sensible à la lumière. Le dispositif en question présente donc un grand intérêt industriel en raison du fait qu'il est utilisable comme commuta-35 teur sur un pupitre de commande ou analogues, ce commutateur é-tant capable de réaliser une commande du type marche-arrêt à l'aide d'un champ magnétique ou d'un faisceau lumineux. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de 40 ses modes d'application,non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 71 42324 6 2115412 REVENDICATIONS 1. Dispositif semiconducteur à effet de champ comprenant un corps semiconducteur, une première et une deuxième régions formées dans une surface dudit corps semiconducteur et possédant 5 un type de conductivité opposé à celui dudit corps semiconducteur, une troisième région formée dans l'une desdites première et deuxième régions et ayant un type de conductivité opposé à celui de la susdite une desdites première et deuxième régions, des é-lectrodes connectées auxdites première et troisième régions et 10 audit corps semiconducteur, et, une électrode de déclenchement é-tablie entre lesdites première et deuxième régions au travers d'une couche isolante. 2. Dispositif semiconducteur à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une quatrième 15 région formée dans l'autre desdites première et deuxième régions et possédant un type de conductivité opposé à celui de ladite autre région, et une électrode connectée à ladite quatrième région. 3. Commutateur sans contact caractérisé en ce qu'il com-20 prend essentiellement un dispositif semiconducteur à effet de champ selon la revendication 1 et un élément de Hall connecté à ladite électrode de déclenchement»