Brevet FR2221816A1 — publié le 19741011

La présente invention concerne une diode à capacité variable comprenant une matière amorphe vitreuse qui constitue une couche active, ainsi que des ôircuitscompre- nant de telles diodes. L'expression "matière amorphe vitreuse" dans le présent mémoire, désigne les matières qui ne présentent un ordre qu'à faible distance. Cette expression est destinée à désigner non seulement les verres, mais aussi les matières amorphes qui présentent un ordre appréciable à faible distance. Cependant, cette expression ne recouvre pas ni les substances cristallines (telles que le silicium et la silice) ni les matières véritablement amorphes qui ne présentent pas un ordre appréciable. Les verres qui constituent une classe particulière des matières amorphes vitreuses, sont essentiellement des liquides trempés dont la viscosité dépasse 108 poises environ à température ambiante. Ils sont en général caractérisés par l'existence d'une phase unique, par un ramollissement progressif suivi d'une fusion lorsque-la température augmente et non par des caractéristiques de fusion nette, par une fracture conchoidale, et par l'absence de- raies de diffraction des rayons X. L'invention concerne une diode à capacité variable c#omprenant une mince couche d'une matière amorphe vitreuse présentant un premier type de conductivité (N ou P) disposé sur un substrat semi-conducteur ayant l'autre type de conductivité (P ou N respectivement). De préférence, la couche vitreuse est imperméable aux ions si bien que le dispositif reste stable dans des conditions de fonctionnement très diverses. De tels dispositifs se comportent comme des diodes à capacité variant avec l'éclairement et la tension, et peuvent faire partie de circuits originaux très divers. D'autres caractéristiques et avantages de l1inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe schématique d'une diode à capacité variable comprenant un semi-conducteur cristallin et une couche vitreuse, selon l'invention ; - la figure 2 est un graphique représentant-la carac- téristique capacité-t#nsion d'un exemple de diode selon l'in vention - la figure 3 est un schéma électrique d'un circuit d'accord qui comprend une diode à capacité variable selon l'invention - la figure 4 est un schéma électrique d'un second circuit d'accord selon l'invention ; et - la figure 5 est un schéma électrique d'un troisième mode de réalisation de circuit d'accord. La figure 1 est une coupe schématique d'une diode à capacité variable comprenant une matière amorphe vitreuse qui constitue une couche active. Le dispositif comprend une première couche active 10 ayant un premier type de conductivité, par exemple un substrat semi-conducteur cristallin dopé de manière qu'il présente une conductivité de type N ou de type P (les résistivités supérieures à 0,5 Q.cm sont avantageuses). Une mince couche active continue 11 de matière amorphe vitreuse, possédant l'autre type de conductivité électronique (P ou N respectivement) est adjacente à la première couche active et forme avec elle une jonction redresseuse. Deux électrodes 12 et 13 sont disposées au contact de la première couche active et de la couche vitreuse respectivement, et délimitent un trajet électrique vers le dispositif utilisateur 14 de la' diode à capacité variable. Le dispositif utilisateur peut être un circuit intégré, ou un circuit paramétrique composé, comprenant une capacité variable sur le trajet électrique compris entre les électrodes 12 et 13. Une source réglable 15 de tension, par exemple une alimentation et un circuit diviseur de tension, est reliée électriquement aux électrodes 12 et 13.La couche vitreuse e,st-soit suffisamment mince pour qu'elle ait une conductivité utile, soit spécialement traitée pour qu'elle ait une conductivité, comme décrit dans la suite. Dans le premier cas, l'épaisseur maximale dépend dans une certaine mesure de la nature de la matière vitreuse et de l'application particulière. La couche doit habituellement être suffisamment mince pour que les caractéristiques de redressement de la jonction prédominent par rapport aux caractéri*- tiques résistives de la matière vitreuse. Lors de l'utilisation d'un verre isolant, la couche de verre doit avoir une épaisseur par exemple inférieure à 1,5 micron et de préférence inférieure à 1 micron. Dans le cas de l'utilisation d'un verre ayant une résistivité globale comprise dans la plage-de semiconduction, la couche peut avoir une épaisseur accrue.Lorsque la couche vitreuse e-st particulièrement traitée de manière qu'elle conduise, la matière vitreuse a une conductivité utile obtenue par disposition d'une source d'ions 'impureté, par exemple d'une couche de métal, sur sa face, et chauffage de la couche vitreuse à une température inférieure à la température de fusion mais à laquelle les ions d'impureté diffusent dans la couche. De préférence, la couche vitreuse est une matière vitreuse imperméable aux ions des matières-habituellement contenues dans l'atmosphère ambiante, par exemple aux ions sodium, de manière que le dispositif reste stable dans des conditions de fonctionnement très diverses. A cet effet, une couche vitreuse peut être considérée comme imperméable aux ions lorsqu'un condensateur comprenant une telle couche comme diélectrique ne présente pas de décalage notable de la caractéristique capacité-tensionàtempérature ambiante après chauffage à la température prévue de fonctionnement, en présence de telles matières, avec une polarisation correspondant à la tension prévue de fonctionnement, pendant une période de 100 heures. En général, les matières vitreuses formées essentiellement de constituants formant des phases cristallines imperméables aux ions sont aussi imperméables aux ions. Par exemple, dans le cas des verres, on sait que certaines compositions telles que PbSi03, Pb6#lSiO21, ZnB2SiO4, refroidies à partir de l'état fondu dans des conditions d'équilibre, forment des phases cristallines qui sont imperméables aux ions, Les verres formés essentiellement d'une ou plusieurs de ces compositions sont imperméables aux ions dans certaines applications. En général, les verres contenant plus de 40 moles pour cent de telles phases forment des protections relativement bonnes aux impuretés ioniques, et-les verres tenant 70 moles pour cent ou plus forment d'excellentes protections. Les verres isolants et imperméables aux ions qui sont compatibles thermiquement aux dispositifs semi-conducteurs cristallins sont particulièrement avantageux, notamment les verres isolants qui ont un coefficient de dilatation thermique compatible à celui des substrats semi-conducteurs couramment utilisés et qui ont des températures de ramollissement inférieures å la température de détérioration des dispositifs à semi-conducteur formant des jonctions par diffusion. Par exemple, ces verres font partie des boro-aluminosilicates de plomb, des borosilicates de zinc et des boroaluminisilicates de zinc. Des exemples particuliers de compositions avantageuses de verre figurent dans les tableaux I et Il. Dans le cas de dépôts pa les constituants sous forme d'oxydes de la composition avantageuse du verre sont indiqués dans le tableau I. Une plage de pourcentages acceptable, indiquée entre parenthèses, est disposée au-dessus de chaque pourcentage avantageux. TABLEAU I SiO2 6,6 mole % (.0-12) ZnO 55,2 (45-65) PbO 2,7 ( 0- 6) " B2O3 34,5 (25-40) " Al2O3 1,0 ( 0- 3) " l'oxyde de calcium, l'oxyde de baryt#n, l'oxyde de strontium ou un de leurs mélanges pouvant remplacer ZnO en quantité pouvant atteindre 10 moles %. Une autre composition donnant s#atisfaction, dans le cas d'un verre destiné à être déposé par sédimentation, est donnée par le tableau Il. TABLEAU Il si02 60 mole % (55- 65) PbO 35 (30-40), 'au203 5 ( O- 7) B203, B205, P205 ou un de leurs mélanges pouvant remplacer SiO2 et ZnO pouvant être remplacé par PbO, chaque substitution étant limitée à 20 moles %. Ces verres peuvent être formés par mise en oeuvre des procédés classiques bien connus. (Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 212 921 décrit un procédé de préparation des verres destinés à être ##posés par sédimentation). On constate selon l'invention qu'un certain nombre de matières vitreuses formées essentiellement d'organes polymères formant des channes mais ayant des éléments semi-conducteurs comme cations clés,par exem#ple les silicates et les borates, peuvent être mises sous forme de semi-conducteurs de type N ou P par dopage à l'état fondu avec une impureté convenable. Plus. précisément, ces verres peuvent prendre une conductivité de type N ou P par addition à la composition fondue d'impuretés donnant ou acceptant des électrons, suivant des procédés analogues à ceux qui sont mis en oeuvre pour les matières de dopage des semi-conducteurs cristallins. En particulier, les impuretés ajoutées à la matière fondue sont des éléments ou des composés d'éléments qui sont des donneurs ou des accepteurs de dopage pour le cation clé de la structure polymère.Par exemple, le silicium estle cation clé dans un verre de silicate et B203 est ajoute au verre fondu de manière que celui-ci ait une conductivité de type P. De manière analogue, P205 et B207 donnent une conductivité de type N lorsqu'ils sont ajoutés. Le bore est le cation clé d'un verre de borate et 3e0 donne une conductivité de type P alors que SiO2 donne une conductivité de type N. Les impuretés sont avantageusement choisies de manière qu'elles aient sensiblement la mtme dimension que lbs cations clés,si bien qutelles peuvent remplacer une proportion importante des cations clés dans la structure du verre. Dans un tel cas, les ions dtimpureté peuvent remplacer jusqu'à 20 moles % ou même plus des cations clés, sans modification notable de la structure du verre. Un verre avantageux de type P destiné à être utilisé avec du silicium dopé de type N, est un verre au silicate de plomb contenant PbO et SiO2 dans le rapport molaire de 1/1 et comprenant B203 à raison de 20 moles % au maximum.Un verre avantageux de type N, destiné à être utilisé avec du silicium dopé de conductivité de type P est un verre ayant un rapport 1/1 de PbO-SiO2, qui a été fondu avec V205 ou P205 à raison de 20 moles % au maximum. Le dispositif de la figure 1 peut être avantageusement formé par dépôt d'une mince couche de verre sur le substrat cristallin, par mise en oeuvre du procédé bien connu de sédimentation. Les électrodes peuvent alors être déposées par exemple par évaporation ou pulvérisation sous vide. Dans un exemple de tels dispositifs, un point du verre précité de type P 1/1 ayant un diamètre d'environ 8 microns et une épaisseur d'environ 0,3 micron est déposé sur une plaquette de silicium de type No Une mince couche de cuivre ayant quelques milliers d'angstroms d'épaisseur est alors déposée sur le verre par évaporation sous vide, avant qu'un contact ohmique classique soit formé avec le silicium. La structure résultante constitue une diode ayant une caractéristique capacité-tension représentée sur la figure 2. La courbe 1 de la figure 2 représente la caractéristique capacitétension en l'absence de lumière. Comme représenté sur la courbe, l'augmentation de la polarisation inverse réduit la capacité du dispositif. La capacité est comprise entre 300 pF à O V et moins de 5 pF à une tension de 10 à 30 V.Le rapport d'accord dans la partie linéaire de la courbe est de l'ordre de 30, et le courant de fuite exceptionnellement faible de ces dispositifs (inférieur à 1 nA) indique qu'il convient pour la réalisation de dispositifs d'accord ayant des caractéristiques de surtension utiles industriellement. La courbe 2 représente la caractéristique capacitétension du dispositif exposé à une lumière d'intensité modérée. La comparaison des courbes 2 et 1 montre que l'exposition à la lumière accrott la capacité du dispositif pour toutes les valeurs de la polarisation en sens inverse. Lors de l'utilisation de lumière très intense (caractéristique non représentée), la capacité est sensiblement constante pour toutes les valeurs de la tension. La figure -3 représente schématiquement un circuit électrique selon l'invention. Ce circuit qui peut être par exemple un dispositif d'accord, comprend essentiellement un oscillateur à inductance et Capacité dans lequel la capacité comprend une diode à capacité variable selon l'invention. Plus précisément, le circuit comprend un oscillateur-compre- nant une inductance 20 et une diode 21 à capacité variable, comme décrit précédemment. L'oscillateur peut aussi comprendre une capacité supplémentaire 22 destinée à établir une fr~ quence prédéterminée de base pour l'oscillateur. La diode à capacité variable est reliée à une commande qui comprend une alimentation réglable 23 destinée à appliquer une tension réglable de polarisation en sens inverse à la diode, et une source lumineuse 24 d'intensité réglable comprenant par exemple une photodiode 25 reliée électriquement à une source 26 de courant réglable. La source de tension réglable est reliée électriquement à la diode à capacité variable par des connexions électriques alors que la source lumineuse d'intensité réglable est couplée optiquement à la diode à capacité variable, en étant placée de manière qu'elle pui#sse éclairer la jonction de cette diode. Le couplage-optique peut être facilité par utilisation d'une matière tran6- parente telle que SnO2 pour la formation d'une des électrodes de la diode, et par utilisation d'une matière amorphe vitreuse transparente. La source de tension réglable et la source lumineuse d'intensité réglable peuvent varier par paliers, par exemple par combinaison d'une alimentation et d'un diviseur de tension, ou de manière continue, par exemple sous la commande d'une résistance à curseur. Lorsque le circuit forme un dispositif d'accords une source 27 de signaux à fréquence multiple, par exemple une antenne réceptrice et des amplificateurs -convenables, es8 reliée électriquement à l'oscillateur et transmet un signal à plusieurs fréquences. Le signal peut par exemple être cou pléà l'oscillateur aux bornes A et B de l'inducteur 20. La capacité de la diode 21 est alors modifiée par variation de la source 23 de tension réglable et de la source 24 de lumière d'intensité réglable à une valeur telle que la fréquence de résonance de l'oscillateur correspond à une composante voulue du signal à plusieurs fréquences. Le signal transmis par le dispositif d'accord peut alors être utilisé le cas échéant par l'un des nombreux circuits connus des spécialistes. Lors de l'utilisation du circuit dans un dispositif d'accord, il est souvent commode que l'une des commandes varie par paliers, par exemple sous forme d'un sélecteur de canaux, et que l'autre commande varie de façon continue et permette un réglage fin. L'une des sources 23 ou 24 peut constituer le sélecteur de canal et l'autre la commande utilisée pour le réglage fin. Dans une variante, les deux sources sont réglables par paliers et permettent l'accord de plusieurs canaux séparés. Dans une autre variante, la source 24 de lumière est retirée et le circuit est accordé par modification de la capacité de la diode par la seule source 23 de tension. Une diode à capacité variable peut aussi être utilisée uniquement avec une source de lumière variable. La figure 4 est un schéma d'un circuit selon une telle variante. Le circuit de la figure 4 est pratiquement identique à celui de la figure 3, mais la source 30 de tension constante qui assure une polarisation en sens inverse de la diode 21 remplace la source de tension réglable. Le circuit peut être considéré comme un dispositif d'accord commandé par la lumière. Les variations de l'intensité de la lumière de la source 25 modifient la fréquence de l'oscillate-r. Une source lumineuse qui peut être réglée par paliers convient, la différence d'intensités entre les valeurs successives pouvant être étalonnée empiriquement de manière qu'elle assure la commutation des canaux par la lumière seule.La source 30 de tension peut aussi être fixée à O V.ou retirée du circuit, et la capacité du dispositif peut être modifiée par la seule lumière. La figure 5 représente une autre variante de circuit, pratiquement identique à celui de la figure 3, mis à part une source 40 de lumière d'intensité corlstante qui remplace la source d'intensité réglable. L'intensité de la source lumineuse est choisie avantageusement de manière que, ou bien elle réduise la pente de la caractéristique capacité-tension de la diode 21, à une valeur voulue, ou bien donne une capacité particulière voulue pour une tension prédéterminée de polarisation en sens inverse de la diode. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. De manière générale, la diode à capacité variable de l'invention convient à tout circuit dans lequel une capacité doit avoir une valeur variable, et elle peut être associée à une source ss tension variable et/ou à une source lumineuse variable. Par exemple, en plus des circuits d'accord décrits précédemment, la diode à capacité variable permet la fixation de constantes de temps RC variant sélectivement, de caractéristiques de filtrage t de déphasage et analogues. REVENDICATIONS 1. Dispositif, caractérisé en ce qu'li comprend une diode à capacité variable qui comporte un substrat de matière semi-conductrice ayant un premier type de conductivité électronique, une couche de matière amorphe vitreuse présentant l'autre type de conductivité électronique,disposée sur le substrat et formant avec celui-ci une jonction de redressement, un dispositif conducteur destiné à former un contact ohmique avec le substrat, et un second dispositif conducteur destiné à former un contact électrique avec la couche de matière amorphe vitreuse, le dispositif comprenant de plus une source de tension reliée électriquement aux deux dispositifs conducteurs et destinée à appliquer entre eux une tension de polarisation de la diode en sens inverse, et une source lumineuse couplée optiquement avec la diode et destinée à projeter de la lumière vers la jonction entre le substrat et la couche de matière amorphe vitreuse. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de tension est une source réglable destinée à appliquer des tensions d'une plage variable de façon continue. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de tension est une source réglable destinée à appliquer des tensions variant de façon discontinue. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de lumière est une source lumineuse-dtinten- sité réglable destinée à transmettre de la lumière ayant une intensité variant de façon continue. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de lumière est une source lumineuse d'intensité réglable dessinée à transmettre de la lumière ayant une intensité variante façon discontinue. 6. Circuit d'accord, caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur à inductance-capacité, comprenant au moins une diode à capacité variable, celle-ci comprenant un substrat de matière semi-conductrice présentant un premier type de conductivité électronique et une couche de matière amorphe vitreuse placée sur le substrat et présentant l'autre type de conductivité électronique, la couche de matière amorphe et le substrat formant une jonction de redressement, le circuit d'accord comprenant de plus une source de tension reliée électriquement à la diode à capacité variable et destinée à appliquer à celle-ci une tension de polarisation en sens inverse, et une source lumineuse d'intensité réglable couplée optiquement à la diode et destinée à transmettre à la jonction du substrat avec la couche de matière amorphe, de la lumière d'intensité réglable destinée à modifier la capacité de la diode donc la fréquence de résonance de l'oscillateur. 7. Procédé de mise en oeuvre d'une diode qui comprend un substrat de matière semi-conductrice présentant un premier type de conductivité électronique et, sur le substrat, une couche de matière amorphe vitreuse présentant l'autre type de conductivité électronique, le substrat et la couche de matière amorphe vitreuse formant une jonction, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la polarisation en sens inverse de la diode, et l'éclairement de la jonction entre le substrat et la couche de matière amorphe vitreuse. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend de plus la variation de la tension de polarisation appliquée à la diode Qu de la lumière parvenant sur la ponctions de manière que la capacité de la diode varie. 9. Circuit électrique, caractérisé en ce qu'il comprend une diode à capacité variable comprenant un substrat en matière semi-conductrice présentant un premier type de conductivité électronique, une couche de matière amorphe vitreuse placée sur le substrat, présentant l'autre type de conductivité électronique et formant une jonction de redressement avec le substrat, un premier dispositif conducteur destiné à former un contact ohmique avec le substrat, et un second dispositif conducteur destiné à former un contact électrique avec la couche de matière amorphe vitreuse, le circuit comprenant de plus une source de lumière d'intensité réglable, couplée optiquement à la onction et destinée à projeter de la lumière sur celle-ci, et un dispositif destiné à faire varier l'intensité de la lumière provenant.de la source d'intensyté variable de manière que la capacité entre les deux dispositifs conducteurs varie. 10. Circuit selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'un des dispositifs conducteurs au moins est pratiquement transparent à la lu ibère de la source. 11. Circuit électrique, du type qui comprend au moins une diode à capacité variable, ledit circuit étant caractérisé en ce que la diode comprend un substrat de matière semiconductrice présentant un premier type de conductivité électronique, une couche de matière amorphe vitreuse présentant l'autre type de conductivité électronique et placée sur le substrat, un dispositif conducteur destiné à former un contact ohmique avec le substrat, un dispositif conducteur destiné à former un contact électrique avec la couche de matière amorphe vitreuse, et une source de tension réglable reliée électriquement aux deux dispositifs conducteurs et destinée à appliquer entre eux une tension de polarisation en sens inverse qui modifie la capacité de la diode. 12. Circuit selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur à inductance-capacité comprenant au moins une diode à capacité variable#. 13. Circuit selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend une source de signaux à plusieurs fréquences, reliée électriquement à l'oscillateur à inductance-capacité et destinée à appliquer à celui-ci un signal à plusieurs fré- quences. 14. Circuit selon la revendication 11, caractérisé en ce que le substrat de matière semi-conductrice est un semiconducteur cristallin, et la matière amorphe vitreuse est un verre imperméables aux ions. 15. Procédé de mise en oeuvre d'une diode qui comprend un substrat de matière semi-conductrice présentant un premier type de conductivité électronique, et une couche de matière amorphe vitreuse placée sur le substrat, présentant l'autre type de conductivité électronique et formant avec le substrat une jonction de redressement, caractérisé en ce qu'il comprend la polarisation en sens inverse de la diode, et la variation de la tension de polarisation en sens inverse appliquée à la dipde.