Brevet FR2199198A1 — publié le 19740405

La présente invention concerne un perfectionnement des appareils d semi-conducteurs et, en particulier, des condensateurs non linéaires à semi-conducteurs pouvant être utilisés pour le réglage électronique des systèmes de résonance dans une large gamme de fréquences des appareils de radio et de télévision. Le condensateur non linéaire à semi-conducteur est largement traité dans la littérature technique où il est appelé condensateur d'accord, varicap ou varactor. A l'ordinaire, le condensateur non linéaire est exécuté sur la base d'une pastille semi-conductrice de monocristal, par exemple en silicium avec une structure à deux couches de conduction p et n. Entre les couches à forte concentration, de l'ordre de lu19 à 1020 cl 3, des porteurs principaux, est alors interposée une zone mince à résistivité élevée. Dans certains cas, la capacité non linéaire peut être exécutée sous forme d'une structure à couches multiples alternantes suivant leur conduction. Cette structure à couches multiples se présente pratiquement sous forme de structures à deux couches assemblées consécutivement par contact métallique à faible résistivité. Afin que les structures de ce type fonctionnent comme des condensateurs, celles-ci reçoivent des tensions électriques comprises dans la gamme des tensions inverses. De cette façon, le condensateur non linéaire est constitué par une diode semi-conductrice à monocristal fonctionnant avec polarisation inverse en tension. Comme paramètre contrôlé, ce composant utilise la capacité de la couche d'arrêt dans la jonction p-n dépendant de la tension appliquée et conditionnée par la formation d'une zoni de charge d'espace de la jonction p-n. L'épaisseur de cette zone dépend de la valeur de la tension appliquée; c'est pourquoi la jonction à polarisation inverse p-n peut être considérée comme un condensateur dont la capacité dépend de la tension appliquée. Au cours de l'accroissement de la tension, la valeur de la capacité tombe, c'est-à-dire que la zone de charge d'espace se propage dans la couche à haute résistivité. La modification de la capacité de la jonction p-n dans la zone de polarisation directe, qu'on appelle capacité de diffusion, n'est pas utiliséecomme paramètre contrôlé du condensateur car, en présence de tensions positives élevées, le facteur Q du condensateur est nettement réduit. C'est pourquoi, pour le contrôle de la capacité, il sera pratiquement intéressant d'utiliser les polarisations négatives en tension sur cette jonction, étant donné qu'on assure alors à l'appareil un facteur Q élevé, un niveau réduit des bruits propres, l'indépendance de la capacité de la fréquence jusqu'aux valeurs de la gamme millimétrique. La capacité de barrière C1 de la jonction p-n considérée peut être mathématiquement représentée sous la forme suivante où : dq est l'accroissement de la charge pour une augmenta tion de la tension de du U, la tension maximale appliquée à la jonction p-n la laperméabilité diélectrique absolue du milieu S, la superficie de la jonction p-n h, l'épaisseur de la zone de charge d'espace de la jonction p-n. La particularité caractéristique du condensateur non linéaire à semi-conducteur réside dans larelation entre ltepaisseur de la zone de charge d'espace de la jonction p-n et la tension déterminée par la répartition de la concentration des impuretés dans la zone de propagation de la charge d'espace. Les condensateurs non linéaires à semi-conducteur actuellement connus, dont la jonction p-n est exécutée par méthode de fusion ou de diffusion, présentent pratiquement une concentration d'impuretés constante ou à croissance linéaire dans la base de la jonction, et elles assurent une relation entre la capacité de barrière et la valeur de la tension de polarisation telle que la première est inversement proportionnelle à la racine carrée ou cubique de la seconde. La plus forte sensibilité de la capacité aux tensions de polarisation est obtenue à l'aide d'un gradient inverse de concentration des impuretés, c'est-à-dire par une répartition en présence de laquelle la concentration des atomes actifs des impuretés se réduit en s'éloignant de la limite de-jonction. La capacité non linéaire à semi-conducteur est caractérisée par toute une série de paramètres appropriés, à savoir le rapport capacitif, c'est-à-dire le rapport entre les capacités maximale et minimale dans les limites d'unegamme déterminée des tensions inverses ; la caractéristique tension-capacité, c'est-à-dire la forme nécessaire de la relation entre la capacité et la tension inverse ; le facteur Q, c'est-à-dire la possibilité de plus faibles pertes de résistance, et la sensibilité à la température, c'est-à-dire la propriété de modifier sa capacité lors des variations de température.Le degré de modification de la capacité en fonction de la température est caractérisé par le coefficient de température de capacité (CTC) constituant l'une des caractéristiques essentielles du condensateur à semi-conducteur, et qu'on détermine entant que variation relative de la capacité en fonction de la température dont l'expression mathématique sera CTC = 1 dC C dT ou : C est la capacité du condensateur T, la température en OK, Du point de vue physique, la variation de la capacité en présence de variations de température s'explique par la relation entre la perméabilité diélectrique (~, ) et la différence des potentiels au contact (* ) en fonction de la température.La modi- fication du coefficient de température de la capacité, motivée par lallation thermique de la différence de potentiels des contacts, est inversement proportionnelle à la tension de polarisation et directement proportionnelle au coefficient de nonlinéarité du condensateur. Comme coefficient de non-linéarité, nous supposons le quotient obtenu par division de la modification relative de la capacité du condensateur par la tension de polarisation provoquant sa modification relative. La modification de la différence du potentiel au contact influence le plus sensiblement le coefficient de température de la capacité et entraine un accroissement de la capacité en commun avec le relèvement de la température. Par exemple, sur le condensateur non linéaire à semi-conducteur à base de silicium avec relation C(U)=(#+U) où ,u C(U) est la capacité du condensateur, A, le taux de proportionnalité, u, la tension de polarisation, le coefficient de température de capacité se modifie dans l'intervalle de température de -60 à +120wC pour une tension de polarisation inverse (uJ de 4V sur 300.10 6 loc . Le condensateur à gradient inverse de concentration des impuretés dans la jonction p-n est encore plus sensible aux variations de température. Une telle variation du coefficient de température de capacité affecte la stabilité de fonctionnement des montages faisant appel aux condensateurs non linéaires à 'semi-conducteur et limite également leurs possibilités d'utilisation dans toute une série de systèmes radiotechniques. Actuellement, pour réduire la valeur du coefficient de température de capacité, afin d'assurer la stabilité de la capacité dans la plage des variations de température prescrite, on applique différentes solutions schématiques, c'est-à-dire qu'on branche au condensateur différents composants supplémentaires, par exemple des diodes Zener ou des circuits intégrés. Cependant, le schéma général du dispositif radiotechnique est alors plus compliqué et souvent certains paramètres électriques du condensateur à semi-conducteur sont modifiés, en particulier sa caractéristique tension-capacité. Le but de la présente invention est de mettre au point un condensateur non linéaire à semi-conducteur dont la conception assurerait la compensation des variations de capacité en présence des variations de température. Un autre but de la présente invention réside dans le relèvement de la fiabilité et de la stabilité de service des montages faisant appel à des condensateurs non linéaires à semi-conducteurs dans une large gamme des variations de température. Dans cette invention, l'on se propose de mettre au point un condensateur non linéaire à semi-conducteur dont la conception assurerait pratiquement une valeur invariable du coefficient de température de la capacité en présence des variations de température, grâce aux phénomènes électrophysiques se produisant dans la structure semi-conductrice même. Le problème posé est résolu par le fait que, dans le condensateur non linéaire à semi-conducteur basé sur une structure de monocristal dans lequel la couche de base est interposée entre des couches dont la résistivité est sensiblement inférieure et formant avec l'une de ces couches une jonction électrontrou, conformément à l'invention, la couche de base forme avec l'autre couche une jonction électron-trou à polarisation directe disposant d'une superficie qui sera au moins vingt fois supérieure à celle de la jonction à polarisation inverse. Une telle conception du condensateur non linéaire à semiconducteur permet de procéder à la compensation de la variation de température du coefficient de capacité en modifiant la répartition des tensions entre les jonctions à polarisation directe et à polarisation inverse, ce qui assure au condensateur une fiabilité élevée, ainsi que la stabilité de ses paramètres, en particulier de la caractéristique tension-capacité dans une large gamme des variations de température. Dans l'exposé qui suit, l'invention est expliquée par la description d'un exemple d'exécution du condensateur non linéaire à semi-conducteur conforme à l'invention, et par un dessin annexé sur lequel est représenté la structure en coupe du condensateur proposé. Le condensateur non-linéaire à semi-conducteur est exécuté sur la base d'une pastille de monocristal de silicium 1 à conduction n disposant d'une résistivité de 3 ohm . centimètre. Dans la pastille 1, du côté opposé, sont fusionnées des électrodes en aluminium 2 et 3, à la suite de quoi dans la pastille il se forme des couches 4 et 5 dopées d'aluminium avec conduction p et résistivité de 0,03 ohm.cm environ. De cette façon, la structure du condensateur non linéaire à semi-conducteur est formée par alternance de couches à conduction type p-n-p, la couche 6 du type n constituant alors la couche de base avec une résistivité cent fois supérieure à celle des couches à conduction p. Le rapport des résistivités de la couche de base 6 et des couches 4 et 5 de conduction p peut être également d'une autre valeur. Les couches à conduction p et n forment deux jonctions 7 et 8 à électrons-trous (p-n). La jonction électrons-trous 7 dispose d'une superficie au moins vingt fois supérieure à celle de la jonction p-n 8. Le condensateur non linéaire à semi-conducteur est branché au circuit de telle façon que l'électrode 2 soit soumise à un potentiel négatif, c'est-à-dire que soit engendrée à cette dernière une polarisation inverse en tension. Cette tension bloque la jonction p-n 8 et provoque la formation d'une capacité de barrière sur la jonction. La capacité de la jonction p-n 8 bloquzedétermine la valeur de la capacité du condensateur et peut être réglée en modifiant la polarisation inverse en tension. L'autre jonction p-n 7 doit se trouver sous l'action d'un potentiel positif, c'est-à-dire qu'est engendrée sur cette dernière une polarisation directe en tension. La polarisation directe en tension débloque cette jonction p-n et provoque la formation d'une capacité de diffusion. Etant donné que, dans le condensateur que uus proposons, la superficie de la jonction p-n 8 est au moins vingt fois inférieure à celle de la jonction p-n 7, la valeur de la capacité de diffusion est exceptionnellement petite en comparaison de la valeur de la capacité de barrière. Le principe de fonctionnement du condensateur non linéaire à semi-conducteur proposé est le suivant. Lors de l'application de la polarisation en tension, par exemple de -4V, le coefficient de température de la capacité est de -300 . 10 6 1/ C, c'est-à-dire qu'en présence d'une variation de tenrpérature àe 100C et d'une tension de polarisation continue, la capacité se modifie de 0,3%. Pour la compensation de cette variation, il est nécessaire et il suffira de modifier la tension de polarisation, ce qui dans l'appareil proposé est obtenu par la présence d'une jonction p-n 7 à polarisation directe. Cela s'explique de la façon suivante. Les jonctions électrons-trous 7 et 8 du modèle proposé sont branchées en formant un circuit électrique en série. La variation de la température provoque la modification de la tension de polarisation sur la jonction p-n 7 à polarisation directe, c'est-à-dire qu'en présence d'un relèvement de la température, il se produit une certaine chute de tension à la jonction à polarisation directe 7, ce qui, à son tour, engendre un accroissement correspondant de la tension à la jonction 8 à polarisation inverse. Comme nous avons pu le déterminer, cette modification de la tension s'avère suffisante pour compenser les variations du coefficient de température de la capacité, et ne provoque pas une modification sensible de la caractéristique tension-capacité du condensateur, de même que de la valeur nominale de la capacité. Le degré de compensation de la v##ariation du coefficient de température de la capacité dépend, pour un rapport donné des superficies des jonctions p-n, de la gamme de température choisie. Ainsi, par exemple, si la superficie de la jonction 7 à polarisation directe est de trente à cinquante fois supérieure à celle de la jonction 8 à déphasage inverse, la compensation la plus complète de la variation du coefficient de température de la capacité sera obtenue dans un intervalle de température de 600C. En élargissant l'intervalle mentionné, on obtient une compensation partielle de la variation du coefficient de température de la capacité ; ainsi, par exemple, à des températures de +60/+ 120 C, la compensation de la variation du coefficient de température de la capacité est environ de 40 à 50%. 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 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. REVENDICATION Condensateur non linéaire à semi-conducteur basé sur une structure monocristal dont la couche de base est intercalée entre des couches disposant d'une résistivité sensiblement inférieure à celle de la couche de base et forme avec une de ces couches une jonction électron - trou à polarité inverse, caractérisé par le fait que ladite couche de base forme avec une autre couche une jonction p-n à polarisation directe dont la superficie est au moins vingt fois supérieure à celle de l'autre jonction, à polarisation inverse.