Brevet FR2115260A1 — publié le 19720707

L'invention concerne un transistor qui peut être commandé de façon continue, et qui est constitué par un premier émetteur, un deuxième émetteur, une base et un collecteur, et la densité de courant étant élevée dans la couche d'arrêt 5 collecteur-base. Dans les transistors usuels, la densité maxi- ./ maie, du courant i dans la zone de charge d'espace collecteur-base vaut à peu près i = vg e N. Dans cette relation vg représente la vitesse de saturation des porteurs de charge dans la zone de char-10 ge d'espace, e représente la charge élémentaire et N représente la concentration du dopage dans la région faiblement dopée de la zone de charge d'espace. Plus la tension de blocage nécessaire est élevée, plus N est petit et par suite il en est de même pour la densité maximale de courant que l'on peut obtenir. Si l'on aug-15 mente encore la densité de courant, la base s'élargit alors. La fréquence de coupure et le gain en courant du transistor s'abaissent. De plus l'intensité du champ augmente à l'extrémité de la zone de charge d'espace, située du côté du collecteur. En particulier, dans le cas d'une charge réactive, ceci peut conduire à un 20 claquage. Afin de pouvoir commander un courant déterminé, dans le cas d'une tension de blocage prédéterminée, un transistor usuel doit pour cela posséder une surface de cristal relativement importante. Il en résulte de grandes dimensions pour le transistor et des frais de fabrication élevés. La puissance maximale que l'on 25 peut obtenir avec un transistor est par conséquent limitée car, on ne peut pas fabriquer des cristaux aussi grands que l'on veut. Lors du montage du transistor dans des amplificateurs à large bande, avec une caractéristique d'un filtre passe-bas ou d'un filtre passe-bande, les capacités d'entrée et 30 de sortie qui augmentent en même temps que la surface, fixent une limite à la largeur de bande maximale que l'on peut obtenir. De plus ces capacités n'ont pas une variation linéaire en fonction de la tension. Ceci conduit, dans des amplificateurs émetteurs à des effets d'intermodulation indésirables. Ces capacités sont 35 d'autant plus importantes que la surface du cristal est grande. Dans tous les cas où la dissipation de puissance permanente ne limite pas la densité du courant, ce qui est en particulier le cas dans des émetteurs à fonctionnement impulsionnel ou dans l'utilisation en commutateur, une augmentation de 40 la densité de courant dans la couche d'arrêt collecteur-base 71 41430 2 2115260 permettrait d'éviter les inconvénients cités ci-dessus. La présente invention a par conséquent pour but de réaliser un transistor avec une densité de courant élevée dans la couche d'arrêt collecteur-base. 5 Ce résultat est obtenu conformément à l'inven tion par le fait que le rapport du courant de particules chargées, d'un type de conductivité, (i^ ), en provenance de la base et se dirigeant vers le collecteur, au courant de particules chargées, de l'autre type de conductivité (ij), en provenance du collecteur 10 et se dirigeant vers la base, est à peu près égal au rapport des mobilités de dérive des particules d'un premier type et d'un autre type de conductivité dans la couche d'arrêt colUcteur-basc. Le transistor conforme à l'invention présente une densité de courant élevée par rapport à celle des transistors 15 connus. Dans le cas de petites capacités et de petites surfaces du cristal, il se prête à de fortes puissances de pointe. De plus, ses durées de commutation sont courtes. Une autre forme de réalisation de l'invention consiste en ce que, dans le transistor, il existe une régulation 20 interne qui a pour effet que le rapport des deux courants (i.^, i'2) soit à peu près, égal au rapport des mobilités de dérive des particules d'un premier type et d'un second type de conductivité. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré au dessin annexé une forme de réalisation du dispositif 25 suivant l'invention. La figure 1 représente en coupe un transistor. La figure 2 représente en coupe un transistor avec une compensation automatique des porteurs de charge dans la couche d'arrêt collecteur-base. 30 La figure 3 représente un transistor dans lequel la tension collecteur-base agit pour la plus grande partie dans la zone de charge d'espace de la base. Dans le transistor de la figure 1, l'émetteurl est dopé de type n+. La base 2 est dopée de type p. A la suite de 35 cela on trouve la zone faiblement dopée de type n du collecteur 3 et ensuite la couche du collecteur 4 fortement dopée de type n. En plus des zones connues des transistors conventionnels, le transistor comporte une autre couche 5. Cette couche 5 est fortement dopée du type p. L'amenée du courant aux différentes couches 40 s'effectue à travers les couches métalliques 6, 15, 16. 71 41430 2115260 Le collecteur est au potentiel de la masse. La commande du transistor a lieu par l'intermédiaire de la couche 5» Elle émet des trous dans la couche du collecteur 4. Afin de la distinguer de l'émétteur 1 cette couche sera désignée dans ce qui 5 suit par émetteur de commande. Dans le fonctionnement en tant qu'amplificateur pouvant être commandé de façon continue, une faible tension continue de 0,8 V par exemple est appliquée sur l'émetteur de commande 5. Le signal à amplifier, qui est amené par la borne 8 10 est superposé à cette tençion. Un courant de trous est émis en provenance de l'émétteur de commande 5 dans la couche du collecteur 4, La plupart des trous diffusent à travers la couche du collecteur 4 à peu près exempte de champ et arrivent dans le champ collecteur 3. Ils sont attirés par la base 2 et augmentent 15 son potentiel. Cette augmentation du potentiel est la cause de l'injection d'électrons en provenance de l'émetteur 1 dans la base 2, La piupart des électrons diffusent à travers la base 2 dans la zone de charge d'espace collecteur du collecteur 3. Il est essentiel que la densité des électrons 20 dans la zone de charge d'espace du collecteur soit à peu près égalé à celle des trous dans cette région. Pour cela, il est nécessaire que le rapport des courants de trous i0 sur i, soit égal V i V -L au rapport _2 _2 = 2 / » V i V * ' V1 X1 V1 25 V2 représente la mobilité de dérive des trous et représente la mobilité de dérive des électrons dans cette zone de charge d'espace. Les électrons parviennent maintenant dans la couche du collecteur 4 et ensuite de dirigent vers la masse par 30 l'intermédiaire des couches métalliques 15. La chute de tension sur la résistance de la couche du collecteur 4, due au courant d'électrons qui traverse cette résistance, a tendance à augmenter le courant de commande. Il est important à présent que la résistance du trajet et par conséquent la réaction due au courant d'é-35 lectrons, soient assez petites pour que le transistor ne présente^ dans la région exploitée de ses caractéristiques, aucun comportement instable. Pour cela, il est nécessaire que la variation de la chute de tension dans la résistance de trajet effective, qui est due au courant d'électrons qui traverse cette résistance^ soit 40 plus petite que la variation de la tension de commande, qui a 71 41430 2115260 déclenché ce courant électronique. Pratiquement on rendra la résistance bien plus petite que celle qui correspondrait à cette condition limite. La résistance du collecteur est assez faible pour que le courant de collecteur déclenché par cette tension 5 de commande, produise dans la résistance du collecteur une chute de tension inférieure à cette tension de commande et qui est de préférence le tiers de celle-ci. En principe on peut aussi obtenir la condition de stabilité par augmentation des résistances, le cas échéant 10 avec des impédances dans le circuit de commande, mais cela seulement aux dépens de l'amplification de puissance. D'autre part l'amplification de puissance peut être augmentée par l'insertion d'une impédance entre la couche du collecteur 4 et la masse, mais cela seulement aux dépens de la fréquence de coupure. 15 Grâce à la forte compensation des charges des porteurs de charge dans la zone de charge d'espace on évite que, dans le cas de densités de courant élevées, la base 2 s'élargisse dans la direction du collecteur 3 et ainsi que la fréquence de coupure du transistor diminue. De plus on évite l'augmentation de 20 l'intensité du champ ainsi provoquée. La densité du courant dans le transistor peut être ainsi augmentée jusqu'à un multiple de celle qui peut être obtenue dans les structures de transistors usuelles. La compensation de la charge ne doit pas être exacte. Une condition est que la différence de potentiel,due aux charges 25 non compensées,soit inférieure à la valeur absolue de la tension de fonctionnement U. Par conséquent on a K lui > _|_ K (ne-n1-^)) dx2 (2) 30 Dans cette relation : e représente la charge élémentaire. représentent les constantes diélectriques relative, et absolue. ne représente la densité des électrons dans la zone de charge 35 d'espace. n^ représente la densité des trous dans la région de charge d'espace. Np représente la concentration en donneurs dans la région de charge d'espace. 40 On doit prendre cette intégrale sur la largeur iG 71 4143Ô 2115260 x de la zone de charge d'espace. La somme des deux courants et ig traverse la résistance externe 10. Le signal de sortie amplifié est prélevé sur la borne 11. La tension de fonctionnement négative est 5 appliquée à la borne 9. Il est inhabituel de prélevér le signal de sortie sur 1'émetteur 1. Pourtant le dispositif ne se comporte pas comme un montage à collecteur commun avec un transistor usuel, \ 10 mais au contraire il ressemble à un montage à bâse commune. La résistance d'entrée et la réaction capacitive sont faibles. Mais l'amplification en courant est supérieur à 1. En tenant compte des mobilités différentes des électrons et des trous, on obtient, dans le cas du silicium, une amplification en courant©* 2,5. J5 On ne peut mettre à profit les avantages du transistor, conforme à l'invention, que lorsque les conditions des équations (l) et (2) sont satisfaits. La figure 2 représente un transistor suivant l'invention dans lequel il se produit une régulation interne de 20 sorte que ces conditions s'établissent automatiquement de fagon avantageuse. A cet effet l'amplification en courant du "transistor" formé par la base 2, le collecteur 3 et la couche du collecteur 4 est donnée par : p>V (3> 25 \ VL Dans l'équation (3), on ne tient pas compte de l'influence d'une zone de recombinaison 12 supplémentaire. On insère dans le collecteur 3 faiblement dopé à son extrémité, située du côté de la base, la zone de re-30 combinaison 12 qui est dopée de type n, et qui possède une densité élevée de centres de recombinaison. Si le courant d'électrons est trop fort, la base 2 s'élargit alors. Une partie de la zone de recombinaison 12 devient par conséquent exempte de champ. Les porteurs de charge se déplacent dans cette région par diffusion.» 35 Leur durée de séjour et par conséquent la probabilité de recombinaison dans la région exempte de champ ou avec un faible champ de la zone de recombinaison 12 deviendront'plus importantes. Plus l'excès du courant d'électrons est important, plus large est la région exempte de champ dans la zone de recombinaison 12. L'équi-40 libre s'établit quand l'équation (l) est satisfaite. Les centres 71 41430 6 2115260 de recombinaison sont introduits de façon appropriée pendant la croissance épitaxiale de la couche 12. Au lieu de capter la tension de blocage dans la couche de collecteur 4 faiblement dopée de type n, on peut 5 aussi capter la tension dans une zone 13 faiblement dopée de type p (Figure 3). La zone de recombinaison se trouve ici dans la zone 13 faiblement dopée de type p. De plus la zone de recombinaison peut aussi s'étendre au-delà de la limite entre une région faiblement dopée de type n et une région faiblement dopée de type p. 10 Dans la figure 3, les domaines 14 fortement dopés de type n+ sont insérés dans la couche du collecteur 4. Ils diminuent la résistance du collecteur. La fréquence de transit fj du nouveau transistor est à peu près égale à celle d'un transistor usuel. Dans cet-15 te comparaison, il faut observer que l'épaisseur de la base 2 peut être très petite, étant donné que la résistance de la base ne perturbe pas. Il faut aussi observer qu'en raison du courant d'influence, l'émetteur 1 commence déjà à émettre avant que les trous émis par l'émetteur de commande n'aient atteint la base. Par suite 20 des densités de courant plus élevées, les constantes de temps de l'émetteur sont plus petites. Mais, dans le nouveau transistor« la densité du courant peut être, déjà pour la fréquence fT, un multiple de la densité du courant d'un transistor usuel conventionnel. Ainsi 25 il est possible par exemple d'obtenir une valeur 15 fois plus élevée, celle-ci pouvant être encore plus élevée pour des fréquences plus basses. Le nouveau transistor présente aussi des avantages lorsqu'il fonctionne en commutateur. La densité de courant 30 peut être multipliée par rapport à celle d'un transistor conventionnel . Par rapport à un thyristor,le transistor présente l'avantage de pouvoir facilement être mis en et hors circuit. De plus on peut avec un transistor régler son point de fonction-35 nement juste avant que la saturation ne soit atteinte, et de ce fait la durée de commutation est notablement réduite. En raison de la réserve de courant plus importante, le nouveau transistor peut traiter des pointes de courant plus élevées sans que ce que l'on appelle deuxième claquage ne 40 se produise. k 71 41430 2115260 L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation. En particulier les transistors complémentaires de ceux de chacun des exemples peuvent être réalisés. A la place de la structure en pastille on peut aussi utiliser par exemple des structures mésa et des structures planar. De plus les différentes zones peuvent présenter un gradient de dopage. L'émetteur de c-ommande 4 n'a pas besoin d'être subdivisé lorsque les conditions de stabilité décrites ci-dessus sont aussi satisfaites avec un émetteur d'un seul tenant. La commande du nouveau transistor se fait, de façon avantageuse, par l'intermédiaire de l'émetteur de commande, alors que le signal de sortie est capté par l'émetteur 1. En courant alternatif la couche du collecteur 4 se trouve au potentiel de la masse. En principe il est aussi possible de commander en même temps l'émetteur de commande 4 et le circuit base-émetteur 2,1. Dans ce cas, il est judicieux de subdiviser aussi 1'émetteur 1. 71 41430 8 2115260 REVENDICATIONS 1. Transistor qui peut être commandé de façon continue, constitué par un premier émetteur, un deuxième émetteur, une base et un collecteur, la densité de courant étant élevée dans 5 la couche d'arrêt collecteur-base, caractérisé par le fait que le rapport du courant de particules chargées, d'un type de conductivité, (i^) en provenance de la base et se dirigeant vers le collecteur, au courant de particules chargées, de l'autre type de conductivité (i2), en provenance du collecteur et se dirigeant 10 vers la base, est à peu près égal au rapport des mobilités de dérive des particules d'un premier type et d'un autre type de conductivité dans la couche d'arrêt collecteur-base. 2. Transistor suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que dans le transistor, il se produit 15 une régulation interne qui a pour effet que le rapport des deux courants (i^, i2) est à peu près égal au rapport des mobilités de dérive des particules d'un premier type et d'un second type de conductivité. 3. Transistor suivant la revendication 1 ou 2, 20 caractérisé par le fait que le courant des particules chargées d'un second tyRe de conductivité (i2) est émis par le deuxième émetteur (émetteur de commande), qui est disposé du côté du collecteur opposé à la base et dont le type de conductivité est opposé à celui du collecteur. 25 4. Transistor suivant l'une des revendica tions 1, 2 ou 3 caractérisé par le fait que la résistance du collecteur est assez faible pour que le courant de collecteur déclenché par cette tension de commande, produise dans la résistance du collecteur un* chute de tension inférieure à cette tension de 30 commande. 5. Transistor suivant la revendication 4 caractérisé par le fait que la chute de tension dans la résistance du collecteur est inférieure au tiers de la tension de commande. 6. Transistor suivant l'une des revendications 35 1, 2 ou 5 caractérisé par le fait que le deuxième émetteur (émetteur de commande) est subdivisé en une structure en forme d'an» neaux, de doigts ou de points. 7. Transistor suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'on introduit,du 40 côté situé vers la base de la zone de charge d'espace collecteur- 71 41430 2115260 base,une zone avec un densité élevée de centres de recombinaison par rapport à son entourage. 8. Circuit pour la mise en oeuvre du transistor suivant l'une des revendications 1, 2, 3» 4, 5, 6 ou 7» ca- 5 ractérisé par le fait que la commande du transistor se fait par l'intermédiaire du deuxième émetteur (émetteur de commande). 9. Circuit suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que le signal de sortie est prélevé sur le premier émetteur. 10 10. Circuit pour la mise en çeuvre du transis- \ tor suivant la revendication 8 caractérisé par le fait qu'en courant alternatif le collecteur se trouve au potentiel de la masse.