Brevet FR2214971A1 — publié le 19740819

La présente invention concerne les perfectionnements apportés à des dispositifs à semi-conducteurs, et notamment un élément à semi-conducteur non-linéaire, fonctionnant en condensateur, qui peut êtré utilisé pour l'adaptation électronique des circuits résonnants de l'appareillage de radio et de télévision dans une large gamme de fréquences. Une diode à semi-conducteur à capacité variable fonctionnant en condensateur est connue dans la littérature technique sous les appellations "condensateur d'accord", "varicap" ou "varactor". En général, ledit condensateur non-linéaire est réalisé en utilisant une plaquette monocristalline de semi-conducteur, par exemple de silicium, sous la forme d'une structure à deux couches, dont une couche est à conduction de type P et l'autre de type N. Dans une telle structure, entre les couches à grande concentration des porteurs majoritaires, de tordre de 1019 à 1020 cl 3, se trouve une zone mince à haute résistivité. Parfois, ladite diode à capacité non-linéaire se#présente sous forme d'une structure multicouche, constituée de couches de conductions alternativement opposées. En fait, cette structure multicouche est un ensemble de structures à deux couches reliées en série à l'aide d'un contact métallique de faible résistance. Pour que ces structures fonctionnent en condensateur à capacité variable, on leur applique une tension située dans la plage des tensions inverses. Donc, ledit condensateur est une diode à semi-conducteur monocristalline polarisée en inverse. Le paramètre physique commandé de ce dispositif est la capacité de transition de la jonction PN polarisée en inverse, dépendant de la tension appliquée et due à la formation de la zone de charge d'espace de la jonction PN. La largeur de cette zone est fonction de la valeur de la tension appliquée, c'est pourquoi une jonction PN polarisée en inverse peut être considérée en tant que condensateur dont la capacité dépend de la tension appliquée. Quand la tension augmente, la capacité diminue car la zone de charge d'espace se propage dans la couche à haute résistivité. La capacité de la jonction PN due à la polarisation directe, dite capacité de diffusion, n'est pas utilisée en tant que pa ramette commandé du condensateur, car le coefficient de surtension du condensateur diminue brusquement quand la tension positive croit. C'est pourquoi il y a intérêt à commander la capacité par polarisation inverse de la jonction, le coefficient de surten sion étant alors élevé, le niveau des bruits propres bas et la capacité indépendante de la fréquence, jusqu'à la gamme des ondes millimétriques. La capacité de transition tcl)dune jonction PN polarisée en inverse, peut être exprimée comme suit où : dq est l'accroissement de la charge pour une croissance de tension dU U est la tension maximale appliquée à la jonction PN 60 est la permittivité du vide est la permittivité absolue du matériau S est la surface de la jonction PN h est la largeur de la zone de charge d'espace de la jonction PN. Une particularité caractéristique d'un condensateur à semiconducteur non linéaire est la dépendance de la largeur de la zone de charge d'espace de la jonction PN vis-à-vis de la tension, ladite dépendance étant fonction de la répartition des impuretés dans la zone de propagation de la charge d'espace. Les condensateurs à semi-conducteurs non linéaires connus, qui sont les diodes dont la jonction PN est réalisée par alliage ou diffusion, ont une concentration des impuretés pratiquement constante ou linéairement croissante dans la base de la jonction et assurent une capacité de transition inversement proportionnelle à la racine carrée ou cubique de la tension de polarisation. Une dépendance plus marquée de la capacité vis-à-vis de la tension de polarisation est obtenue à l'aide d'un gradient inverse de concentration impuretés c'est-à-dire d'une répartition telle que la concentration d'impuretés actives décroisse quand on s'éloigne de l'interface de la jonction. L'élément capacitif non linéaire en question est caractérisé par les paramètres suivants : rapport de capacités, c'est-à-dire rapport de la capacité maximale à la capacité minimale dans les limites d'une' gamme déterminée de tensions inverses, courbe capacité-tension, c'est-à-dire allure de la courbe de la capacité en fonction de la tension négative, coefficient de surtension, c'est-à-dire facteur de pertes ohmiques, celles-ci devant être les plus basses possibles, et sensibilité à la température, c'est à-dire variation de la capacité en fonction de la température. Le degré de variation de la capacité en fonction de la température est caractérisé par le coefficient de température de la capacité (Kct)# lequel constitue l'une des caractéristiques essentielles d'un condensateur à semi-conducteur, déterminée comme étant la variation relative de la capacité avec la température et exprimée comme suit 1 SC Kct = 1 dc C '-----T où C est la capacité du condensateur ; T est la température, K. Au point de vue de la physique, la variation de la capacité avec la température est expliquée par le fait que la permittivité () et la différence de potentiel de contact C tf) sont fonction de la température. La variation du coefficient de température de la capacité, due à la dépendance de la différence de potentiel de contact vis-à-vis de la température, est inversement proportionnelle à la tension de polarisation et directement proportionnelle au taux de non-linéarité du condensateur Par taux de non-linéarité on entend le quotient de la variation relative de la capacité du condensateur par la variation relative de la tension de polarisation qui l'a provoquée. La variation de la différence de potentiel de contact exerce une influence prédominante sur le coefficient de température de la capacité et entraine l'augmentation de la capacité avec l'augmentation de la température. Par exemple, pour une diode au silicium à capacité variable possédant une caractéristique 1 C(U) = A ( t + où C(U) est la capacité de la diode, A est le coefficient de proportionnalité U est la tension de polarisation la valeur du coefficient de température de la capacité dans la plage de températurç de -60 à +120 C, sous une tension (U) de polarisation de -4V, atteint 3oo.1o#61/oC. Un condensateur ayant un gradient inverse de concentration d'impuretés dans la jonction PN est encore plus sensible aux variations de la température. La variation de la capacité avec la température abaisse la stabilité de fonctionnement des montages radio-électriques comportant des diodes à capacité variable, ce qui limite leur e#mploi. A l'heure actuelle, la réalisation de dispositifs radioélectriques fiables utilisant des éléments à semi-conducteuTS non linéaires, à capaçité variable, exige une haute stabilité de la capacité, non seulement dans une large plage de températures, mais aussi dans certains intervalles de température déterminés. Pour compenser le coefficient de température de la capacité, les circuits des systèmes radio-électriques sont munis de montages d'asservissement spéciaux, qui assurent dans les circuits électriques une correction de la capacité en fonction de la température de fonctionnement. Mais ces montages, quoique très complexes, non seulement n'asurent pas la stabilité des autres paramètres électriques de sortie d'un tel condensateur, mais dans certains cas ils provoquent même leur variation. Le but de l'invention est la réalisation d'une constructiat telle du condensateur à-semi-conducteur non linéaire qu'elle conférerait au dispositif la faculté d'autocorrection des variations de la capacité avec la température, c ' est-à-dire permettrait d'obtenir, tant dans toute la plage de températuresde fonctionnement que dans des intervalles prédéterminés de températures, une compensation m presque totale du coefficient de température de la capacité, tout en maintenant intacts les autres paramètres principaux du dispositif, et sans utiliser des montages radioélectriques spéciaux. Un autre but de la présente invention est d'-élever la fiabi- lité et la stabilité du condensateur non linéaire à capacité variable dans des montages radio-électriques, dans une plage de températures de fonctionnement prédéterminée. Il s'agissait donc de réaliser une construction du condensateur non linéaire à capacité variab-le qui assurerait la com- pensation presque totale du coefficient de température de la capacité dans des plages prédéterminées de températures, grâce des processus électrophysiques au sein de la structure de semiconducteur. La solution consiste en ce que, dans le condensateur à semi-conducteur à capacité variable qui fonctionne en régime de polarisation inverse et est constitué-par des couches de semiconducteur de conductions alternativement opposées, dont une couche est celle de base disposée entre des couches ayant une résistivité bien inférieure à la sienne, selon l'invention, les couches entre lesquelles se trouve la couche de base ont toutes deux le même type de conduction contraire de celle de la couche de base et forment avec ladite couche de base des jonctions PN polarisées en inverse et en direct, la couche de base étant munie d'une électrode pour créer, à la jonction polarisée en direct, une polarisation directe supplémentaire de tension telle que soit observée la condition suivante est 1QK es la différence de potentiel de contact à la jonction PN bloquée U0 est la tension sur la jonction PN débloquée T est la température ambiante Une telle construction du condensateur non linéaire à capacité variable permet d'obtenir une compensation presque totale du coefficient de température de la capacité en faisant circuler un courant ne dépassant pas la valeur limite à travers la jonction PN débloquée. Ceci assure une haute fiabilité du condensateur et une stabilité élevée de ses paramètres et, notamment,de la courbe tension-capacité, tant dans une large plage de températures que dans des intervalles de températures prédéterminés. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description d'un exemple de réalisation du condensateur non linéaire à capacité variable selon l'invention, et par le dessin annexé qui représente en coupe la structure du condensateur proposé. Le condensateur à semi-conducteur non linéaire à capacité variable est réalisé à partir d'une plaquette 1 monocristalline en silicium à conduction de type N, dont la résistivité est de 3 nism. Des électrodes 2 et 3 en aluminium sont rapportées par alliage aux deux cotés opposés de la plaque 1 ;il en résulte la formation de deux couches 4 et 5 dopées d'aluminium, à conduction de type P et à résistivité de l'ordre de 0,03n /cm, Ainsi, la structure du condensateur à semi-conducteur non linéaire est constituée par des couches alternées PNP, la couche 6 à conduction de type N étant celle de base, avec une résistivité dépassant d'environ 100 fois la résistivité des couches à conduction de type P.Les résistivités des couches peuvent avoir d'autres valeurs, mais dans tous les cas la résistivité de la base doit dépasser notablement celle des autres couches. Les couches 4 et 5 à conduction de type P forment avec la couche 6 à conduction N deux jonctions PN 7 et 8. Le condensateur à semi-conducteur non linéaire à capacité variable est inséré dans un circuit électrique de façon à mettre l'électrode 2 à un potentiel négatif qui bloque la jonction PN 7. La capacité de la jonction PN 7 polarisée en inverse détermine la capacité du condensateur et peut être réglée par la variation de la tension de polarisation inverse CU1). L'autre jonction PN, 8, doit se trouver sous un potentiel positif, c'est-à-dire polarisée en direct par tension. La polarisation en direct par tension débloque ladite jonction PN 8 et provoque l'apparition d'une capacité de diffusion. Donc, dans la construction proposée, les jonctions 7 et 8 sont mises en série dans un circuit électrique à signal alternatif. A la base 6 est reliée, par un contact n'ayant pas de propriétés redresseuses (un contact ohmique),une électrode 9 qui est connectée, par exemple, à une source 10 de courant continu. L'électrode 9 sert à appliquer à la base un courant qui crée sur la jonction polarisée en direct une polarisation supplémentaire de tension telle que soit remplie la condition suivante est la différence de potentiel de contact à la jonction PN bloquée U0 est la tension sur la jonction PN débloquée T est la température ambiante Examinons le principe de fonctionnement du condensateur à semi-conducteur non linéaire à structure PNP Lorsque ledit condensateur est branché dans un circuit électrique comme montré sur la figure et polarisé en inverse par une tension, par exemple de - 4V , une capacité de transition apparait à la jonction 7. La jonction 8 est branchée dans le circuit électrique en série avec la jonction 7, aussi est-elle polarisée en direct et une capacité de diffusion y apparaît. Une variation de la température de 10 C, la tension de polarisation de - 4V étant constante, provoque une variation de la capacité de la jonction polarisée en inverse de 0,3 %, c'est-à dire que le coefficient de température de cette capacité de transition est de 300.10#6 1/ C Il est connu que, pour compenser cette variation, il est nécessaire et il suffit de modifier la tension de polarisation à la jonction 7 polarisée en inverse de quelques centièmes d'un volt, ce qui est obtenu dans le condensateur selon 11 invention par modification du régime de fonctionnement de la jonction débloquée, lequel est réglé par la tension de polarisation directe auxiliaire appliquée à cette dernière. Il est connu que le coefficient de température de la capacité d'un tel condensateur à semi-conducteur non linéaire est essentiellement déterminé par la valeur d soit dans le dT cas présent par où 9 est la différence de potentiel de contact à la jonction PN bloquée U0 est la tension sur la jonction PN débloquée T est la température ambiante. C'est pourquoi, afin d'obtenir une compensation presque totale du coefficient de température de la capacité, la valeur de la tension de polarisation directe auxiliaire est déterminée en partant de la condition En outre, en réglant le courant circulant dans la jonction 8 polarisée en direct à l'aide d'une troisième électrode auxiliaire, on assure une prédominance de la capacité de diffusion de la jonction polarisée en direct que la capacité de la jonction 7 polarisée en inverse, laquelle fonctionne en condensateur à capacité commandée, telle que la capacité de la jonction 8 débloquée soit négligeable par rapport à la capacité de la jonction 7 bloquée. Par suite, les paramètres électriques de sortie du condensateur non linéaire à capacité variable ne sont pas influencés. Ces raisonnements restent également justes pour un condensateur à semi-conducteur non linéaire à capacité variable à structure NPN , ainsi que pour les températures au-dessous de zéro. Ainsi, la structure proposée du condensateur à semi-conduc teur non linéaire permet, en ne variant que le courant circulant dans la jonction PN 8 débloquée en accord avec la variation de la température, d'obtenir une compensation maximale du coefficient de température de la capacité,# tant dans la plage de températures de fonctionnement de - 60 a + 1200C que dans n'importe quel intervalle de températures préd#éterminé,par exemple de + 60 à + 1200c, pratiquement sans influencer les autres paramètres électriques du dispositif. 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 et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATION Condensateur à semi-conducteur non linéaire qui fonctionne en régime de polarisation inverse et est constitué par des couches de semi-conducteur à conduction de types opposés, dont une est celle de base disposée entre des couches ayant une résistivité bien inférieure à la sienne, caractérisé par le fait que les couches entre lesquelles se trouve la couche de base ont toutes deux le même type de conduction contraire de celle de la couche de base et forment avec cette dernière des jonctions PN polarisées en inverse et en direct, la couche de base étant munie d'une électrode pour créer à la jonction polarisée en direct une polarisation directe supplémentaire de tension telle que soit observée la condition : : où q K est la différence de potentiel de contact à la jonction .PN bloquée UO est la tension sur la jonction PN débloquée T est la température ambiante