Brevet FR2117701A1 — publié le 19720728

La présente invention concerne un oscillateur Gunn à fréquence accordable. L'existence d'une résistance différentielle négative dans l'arséniure de gallium, mise en évidence par Gunn en 1963, a permis d'obtenir des sources solides hyperfréquences. La fréquence d'oscillation des diodes Gunn est égale à l'inverse du temps de transit des domaines entre eSec- trodes et elle est donc déterminée par la distance entre contacts électriques. Différentes solutions ont été proposées pour faire varier aussi simplement que possible cette fréquence. On peut introduire la diode Gunn dans une cavité accordable par variation de position de disques diélectriques, mais un tel système est d'une réalisation complexe. On peut aussi modifier le circuit externe en remplaçant la résistance par un circuit résonnant de manière a supprimer le domaine avant son arrivée à 11 anode. Ce procédé, fonction du paramètre de sortie du circuit, risque de supprimer la possibilité d'obtenir un rendement optimal. On peut enfin illuminer localement l'échantillon afin d'augmenter la conductivité et, par conséquent, de créer une inhomogénéité de champ, permettant ainsi d'obtenir soit une cathode virtuelle au moyen d'un cache de faible épaisseur, soit au contraire une anode virtuelle en éclairant une partie de L'échantillon. Ce procédé nécessite une source lumineuse donc une consommation d'énergie et, de plus, il empêche une mise en boftier du système. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en procurant un oscillateur Gunn de structure trés simple et permettant de faire varier aisément sa fréquence d'oscillation. A cet effet, cet oscillateur Gunn à fréquence accordable comprenant une couche d'arséniure de gallium sur laquelle sont formés deux contacts ohmiques distants est caractérisé en ce qu'une plaquette constituant une charge s'étend parallèlement à la couche d'arséniure de gallium à partir du contact cathodique et en direction du contact anodique, avec interposition d'une mince couche isolante entre ladite plaquette d'une part et le contact cathodique et la couche d'arséniure de gallium d'autre part, l'extrémité de ladite charge qui est la plus proche du contact anodique agissant alors, vis-à-vis de ce dernier, en tant que cathode virtuelle, et la matière de ladite charge étant telle qu'elle produise, dans la couche d'arséniure de gallium, une répartition du champ telle qu'il existe une région de champ éle vé à l'extrémité de ladite charge formant la cathode virtuelle. En déplaçant la plaquette constituant la charge de l'oscillateur, de maniére à rapprocher plus ou moins son extrémité du contact anodique, il est possible de faire varier corrélativement le fréquence d'oscillation. Unautrebut de l'invention est d'améliorer le rendement de fabrication des diodes Gunn. En utilisant une charge mobile, on peut trouver une zone d'homogénéité donnant lieu à une oscillation cohérente. En employant une charge fixe, qui peut être une couche de cuivre, on supprime les phénomènes de bruit à la cathode. Enfin, l'invention permet d'améliorer le rendement de fabrication des diodes Gunn en testant celles-ci de manière à trouver une zone d'homogénéité donnant lieu à une oscillation cohérente. Enfin, lorsque la distance entre l'extrémité de la plaquette constituant la charge et le contact anodique est faible, il est possible d'obtenir un signal de sortie d'amplitude modulée. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: L a figure 1 est une vue en coupe schématique d'un oscillateur Gunn à fréquence accordable. La figure 2 est un diagramme illustrant diverses formes d'ondes de signaux de sortie recueillis aux bornes d'une charge de 5 =, pour diverses valeurs de la distance entre l'extrémité de la plaquette cons- tituant la charge et le contact anodique. La figure 3 est une vue en coupe schématique d'une variante d'exécution d'un oscillateur Gunn suivant ltinvention. L'oscillateur Gunn représenté schématiquement sur la figure l comprend un support ou embase 1 en arséniure de gallium sur lequel est formée une- couche 2 d'arséniure de gallium épitaxié. Sur les deux parties extrêmes de la surface supérieure de cette couche, 2 sont formés deux contacts ohmiques distants, à savoir un contact 3 formant- cathode à une extrémité de la couche 2 et un contact 4 formant anode à l'autre extrémité. Suivant l'invention, l'oscillateur Gunn comprend en outre une plaquette semi-conductriee 5, par exemple en arséniure de gallium, qui s'étend parallèlement à la couche d'arséniure de gallium épitaxié 2, en en étant séparée par une couche isolante 6 qui peut etre par exemple en glycérine ou en silice, ou en tout autre matériau isolant approprié. Une partie de la plaquette 5 s'étend en regard et à proximité immédiate du contact anodique 3 , en en étant toutefois séparée par une mince épaisseur de la couche isolante 6. Suivant la position relative de la plaquette semi-conductrice 5 qui constitue une charge, par rapport à la couche d'arséniure de gallium épitaxié 2, on obtient une fréquence de fonctionnement différente pour l'oscillateur Gunn.En effet, l'introduction de cette plaquette formant charge provoque une augmentation du temps de croissance des domaines qui résulte à son tour des phénomènes de surface sensible dans un échantillon d'arséniure de gallium. Si L est la distance entre les contacts cathodique 3 et anodique 4, et X est la distance entre la face extrême E de la charge 5 la plus voisine du bord A du contact anodique 4, on constate que#, si l'on fait varier la distance X, la fréquence d'oscillation de l'oscillateur Gunn augmente au fur et à mesure que cette distance X diminue.Les signaux dont les formes d'ondes sont représentées sur les lignes A, B et C de la figure 2, correspondent aux courants observés, en fonction du temps, aux bornes d'une charge de 5 ohms, lorsque X décroft de L (position de la charge 5 indiquée en trait mixte sur la figure 1, dans laquelle la face E se trouve à l'aplomb du bord K du contact cathodique 3 qui fait face au bord A du contact anodique 4), jusqu'à une valeur égale à L/6 (ligne C), en passant par une- valeur intermédiaire où x # 2 (ligne B). Ces résultats ont été obtenus avec un échantillon d'arséniure de gallium de 600 microns de long, 600 microns de large, 30 microns d'épaisseur, et de résistivité 9. 1014 cm 3 1 cm. La variation de la distance X, c'est-à-dire le déplacement de la plaquette 5 constituant la charge peut être obtenu par tout moyen approprié, par exemple par une jauge micrométrique, la charge 5 étant guidée dans son déplacement et étant maintenue pressée contre la couche isolante 6 afin qu'il n'y ait pas de couche d'air entre elles. Pour recueillirla puissance maximale à la sortie, il convient de placer, à la sortie du système, une cavité accordée à la fréquence d'oscillation donnée par la distance X considérée Un autre but de l'invention est d'améliorer le rendement de la fabri cation des diodes Gunn en les testant, de manière à trouver une zone d'homogénéité donnant lieu à une oscillation cohérente. En effet, même si l'échantillon d'arséniure de gallium est très bon du point de vue homogénéité, le contact cathodique 3 peut introduire une inhomogénéité. Grâce à la prévision de la charge 5 précitée, on peut compenser cette inohomogénéité par la création d'une cathode virtuelle que constitue l'extrémité E de la charge 5. On peut, par conséquent, par déplacement de cette charge 5, tester l'échantillon.Par conséquent, même si cet échantillon présente une instabilité incohérente pour une distance L entre les contacts ohmiques 3 et 4, ce même échantillon peut présenter une oscillation cohérente pour une distance X inférieure à L. Il est ainsi possible de tester l'échantillon en s'affranchissant ducontact cathodique 3. Cette possibilité en outre de supprimer les phénomènes de bruit à la cathode d'une diode Gunn en utilisant la structure représentée à la figure 3. L'oscillation comprend une charge 5 constituée par une couche de cuivre séparée du contact anodique 3 et de la couche d'arséniure de gallium épitaxié 2 par une couche de silice 6. Lorsque la distance X est très faible (inférieure à L/6 dans le cas de l'exemple de la figure 1), on observe, ainsi qu'il est illustré sur la ligne D de la figure 2, une modulation de l'amplitude de l'oscillation du signal de sortie. En, résumé, les possibilités d'application de la présente invention sont les suivantes variation de la fréquence d'oscillation d'une diode Gunn du simple au sex tuple au moins, dans une gamme de fréquences au voisinage du GHz une augmentation du rendement de fabrication des diodes Gunn par détection d'une zone homogène * modulation d'amplitude du signal de sortie permettant ainsi dtintroduire de nouveaux paramètres dans les caractéristiques de transmission. Il est à noter que les phénomènes ci-dessus- sont fonction de l'épaisseur de la charge 5 et de la nature de celle-ci. Des effets semblables ont été observés en utilisant une charge en titanate de baryum ou en métal. Il est bien entendu que les formes de réalisation et les matériaux utilisés peuvent varier, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. Notamment, la charge peut être constituée en toute# matière produisant dans la couche d'arséniure de gallium, comme le titanate de baryum, l'arséniure de gallium, le cuivre, une répartition du champ telle qu'il existe une région de champ élevé à l'extrémité de ladite charge formant la cathode virtuelle E. REVENDICATIONS 1) Oscillateur Gunn à fréquence accordable comprenant une couche d'arséniure de gallium sur laquelle sont formés deux contacts ohmiques distants, caractérisé en ce qu'une plaquette 5 constituant une charge s'é tend parallèlement à la couche d'arséniure de gallium 2 à partir du contact cathodique 8 et en direction du contact anodique 4, avec interposition d'une mince couche isolante 6 entre ladite plaquette d'une part et le contact cathodique et la couche d'arséniure de gallium d'autre part, l'extrémité de ladite charge qui est la plus proche du contact anodique agissant alors, vis-à-vis de ce dernier, en tant que cathode virtuelle, et la matière de ladite charge étant telle qu'elle produise, dans la couche d'arséniure de gallium, une répartition du champ telle qu'il existe une région de champ élevé à l'extrémité de ladite charge formant la cathode virtuelle. 2) Oscillateur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour effectuer un déplacement micrométrique de la plaquette constituant la charge par rapport à la couche d'arséniure de gallium, et pour presser simultanément la charge sur la couche isolante de manière à éviter toute couche d'air entre elles. 3) Oscillateur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la matière constituant la charge est par exemple de l'arséniure de gallium, du titanate de baryum, un métal conducteur tel que le cuivre, ou tout autre matière présentant les mêmes caractéristiques. 4) Oscîllate;ur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la charge est constituée par une couche fixe déposée sur la couche de matière isolante et qui peut être par exemple en cuiyre.