Brevet FR2246981A1 — publié le 19750502

l'invention a pour but d'améliorer les caractéristiques des transistors à effet de champ et d'en faire bénéficier divers circuits d'application, notamment les portes logiques, les modulateurs et les montages à charge saturable. On connat les limitations apportées par la technologie classique de fabrication à l'obtention de transistors à effet de champ pour constituer des dispositifs à grande rapidité, à faible consommation ou à grand gain. Ces limitations sont dues principalement aux dimensions du canal de conduction, aux capacités parasites et aux courants de fuite. Grave à la technologie de l'implantation ionique, on a pu vaincre certaines difficultés et notamment réaliser des transistors à effet de champ à grande rapidité du type "normalement pincé", c'est-à-dire présentant un courant de drain nul pour une tension de grille nulle par rapport à l'électrode de source. toutefois, des difficultés subsistent dans les cas extremes, car ces transistors présentent une couche de conduction de très faible épaisseur. Pour éviter les capacités parasites on serait tenté d'adopter un substrat de très faible conductivité, mais on rencontre de nouvelles difficultés dues à l'apparition de courants de fuite relativement importants. Xt invention permet de surmonter ces difficultés. le transistor à effet de champ selon l'invention est du type comprenant un substrat semiconducteur d'un type prédéterminé de conductivité, une région semiconductrice du type opposé de conductivité, s'étendant dans au mo"F une partie dudit substrat, des contacts de source et de drain constitués à la surface du matériau semiconducteur dans ladite région, une grille située entre lesdits contacts, ladite grille étant constituée soit par un simple dépot métallique à la surface du matériau semiconducteur dans ladite région, (cas de la jonction SCHOfTEY), soit par la formation (diffusion ou implantation d'ions) d'un élément d'une jonction semiconductrice dont l'autre élément est constitué par ladite région. Il est caractérisé en ce que ledit substrat est muni d'une connexion, cette connexion permettant de lui appliquer une tension polarisant en inverse la jonction formée par ledit substrat et ladite région. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui suit et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels les figures 1 et 2 représentent des exemples de structures connues de transistor à effet de champ les figures 3 et 4 représentent deux exemples de structures conformes à l'invention les figures 5, 6 et 10 sont des courbes explicatives les figures 7, 8 et 9 représentent schématiquement des exempis de circuits d'application de l'invention. Figure 1, on a représenté une structure de transistor à effet de champ à canal de type N, comportant un substrat 1, présentant une région 11 épaisse (par exemple, de plusieurs ccn- taines de microns) dopée P et une région 12 formant une couche dopée N relativement mince (par exemple de 3 à 10 microns). Des contacts 2 et 3, qui peuvent être choisis indifféremment comme source et comme drain, suivant les tensions appliquées, sont constitués respectivement par une petite région (21, 31) dopée N+ surmontée d'un dépôt métallique (22, 32).La grille du transistor cst, dans l'exemple choisi, constituée par un simple dépôt métallique 4 réalisant ainsi une jonction métal-semiconducteur ou grille SCH02TEY. le canal de conduction, en l'absence de toute tension sur les contacts 2, 3 et 4 est limité par les zones de charge d'espace développées dans la couche 12 par la région P du substrat et par le métal de la grille. Pour un substrat au même potentiel que les contacts 2, 3 et 4, on a une limite inférieure du canal constituée par un plan 13 situé à une distance "h" de la jonction NP et parallèle à la surface supposée plane de cette jonction. La limite inférieure 14 bordant la petite zone déserte produite par la grille SCIIOTTIIY est à une distance "e" de la limite 13. Lorsqu'on applique une tension positive entre drain ct source, (cas non représenté) les limites 17 et 14 se déformcnt mais, dans le cas de la figure 1, on supposc qu'elles ne se rejoyent pas, ce qui correspond au cas du transistor dit "nor salement passant", la gringe étant maintenue au potentiel de la source. On a représenté, figure 3, un exemple de réalisation de l'invention, partant d'une structure analogue à celle de la figure I et présentant en définitive une mec profondeur de canal. Cependant, ce résultat est obtenu avec une couche 121, teaucoup plus épaisse que la couche 12. Dans le cas de la figure 3, une pile 30 polarise négativement le substrat 111 par rapport au eontact 2 choisi comme source; dans ces conditions, la limite 131 de la zone de charge d'espace développée dans la couche 121 par la présence de la région P se trouve ici à une distance H bien supérieure à h. Toutefois, la limite 14 de la zone déserte de grille n'a pas changé, pas plus que la distance "ex'. En définitive, dans le cas de l'invention, on dispose d'un transistor à effet de champ présentant un canal de conduction identique à celui de la figure 1. Mais la couche 121 étant beaucoup plus épaisse, les capacités parasites entre les contacts 2 et 3 d'une part, le substrat d'autre part seront beaucoup plus petites, pour une même conductivité du substrat, ce qui constitue un premier avantage de l'invention. On a représenté,figures 2 et 4, des exemples de structure respectivement semblables à celles des figures 1 et 3 sauf en ce qui concerne la profondeur du canal : celle-ci est en effet nulle en l'absence de toute différence de potentiel entre les contacts 2, 3 et 4. Dans le cas de la figure 2, la couche 122 est moins épaisse que son homologue de la figure 1, la couche 12, de telle sorte que la limite 132 de la zone de charge d'espace, tout en étant située à la meme distance h que dans le cas de la figure 1, est tangente à la limite 14 de la zone déserte de grille, annulant ainsi la profondeur "e" du canal de conduction. De meme, dans le cas de la figure 4, la couche 123 est moins épaisse que celle de son homologuc dc la figure 3, la couche 121, dc tollc sorte que la limite 133 de la zone dc charge d'espace, tout en étant à la meme distance "H", est tangente à la limite 14. Dans les deux cas, le transistor est dit "normalement bloqué-" ct il faut un potentiel de grille positif pour le rendre passant. On peut encore diminuer l'épaisseur de la couche N, jusqu'à faire chevaucher les zoncs de charge d'espace. En ce cas, il faudra un potentiel de grille encore plus élevé pour rendre le transistor passant.- le premier avantagc de l'invention subsistc et il sraccon- pagnc ici d'un avantage supplémentaire. En effet, la formation do couchcs N très minces est difficile ; meAme en ayant recours à la technologie de l'implantation ionique, on peut rencontrer des difficultés que l'invention permet d'éviter, la couche N étant alors plus épaisse pour une même profondeur de canal. La possibilité de disposer de transistors "normalement pincés" n'est pas le seul avantage de l'invention, comme l'illustrent les figures 5 et 6 où l'on a tracé des courbes de l'intensité IDS circulant entre drain et source en-fonction de la tension VDS entre drain et source (portée cn abscisses). les mesures ont été- faites pour diverses tensions de polarisation de grille et dc substrat sur un transistor à effet dc champ selon l'invention,à grille du type SCHOTTKY d'une longucur dc l'ordre du micron. Dans le cas de la figure 5, le substrat est au potentiel dc la source ce qui revient à dire que le transistor sc cern- porte comme un transistor à effet de champ classique. Pour une polarisation de grille nulle, on a la courbe 105 ct pour des polarisations de grille positives échelonnées, on observe les courbes 106, 107 et 108. Dans le cas de la figure 6, le substrat est au potentiel - 5 volts et l'on a tracé les courbes analogues 115 à 118. Dc la comparaison des dieux réseaux dc courbes, on déduit que pour le transistor à substrat polarisé comme le prévoit l'invention am le courant de drain est augmenté de 50%, 20- la pentes est doublée, 3 - le rapport gm/I (pente par rapport au courant de drain) est augmenté de 30%, 40 le courant de fuite est réduit (voir courbes 105 et 115). Dans un premier exemple d'application, on a réalisé une porte logique du type "OU NON" à double entrée. Deux transistors à effet de champ d'un type permettant la mise en ocuvrc de l'invention, c'est-à-dire possèdant une prise de contact de substrat isolée du contact de source, sont montés avec leurs espaces internes "drain-source" en parallèle. A cet effet, figure 7, les substrats 51 ct 52, les sources 511 et 521, les drains 512 et 522 ont été connectés deux à doux. les drains sont alimentés en tension continuc positive par une source 56 à travers une résistance 57, les sourccs étant reliécs à la masse et les substrats étant polarisés négativement par une bat- terie de piles 59. Les grilles 513 et 527 constituent des cntrées distinctes accessibles par des bornes d'entrée 53 ct 54. Les drains sont accessibles par une borne de sortie unique 58. Dans ce type de porte, on fait correspondre à un état "bas" sur les deux bornes 53 ou 54, un état "haut" R2 sur la sortie 58 et réciproquement, à un état "haut" H1 sur l'une des entrées correspond un état "bas"B2 en sortie. Dans le cas général, les états correspondent à des potentiels différents à l'entrée et à la sortie pour un memo état qualifié de "haut" ou de "bas. Par exemple, l'état "bas" correspond à un potentiel négatif, assurant le blocage du transistor, dans le cas de l'entrée et à un potentiel légèrement positif dans le cas de la sortie. Dans le cas de l'invention, on peut règle la tension de la batterie 59 en modifiant le nombre de ses éléments et modifier la valeur de la résistance 57 de tcllc sortc que l'on ait par exemple B1= B2= 0,1 volt H1 = H2 = 0,4 volt On dit alors qu'il y a compatibilité entre l'entrée et la sortie, cc qui est indispensable lorsque l'en doit constituer des chalandes de circuits logique. Avec un type de transistor selon l'invention, ce résultat est obtenu avec une tension de polarisation de l'ordre du volt et une résistance 57 de l'ordre d'une dizaine de milliers d'hem Dans un deuxième exemple d'application on a réalisé un modulateur à haute fréquence. Un transistor 61 (figure 8) à effet de champ, d'un type permettant la misc en oeuvre de l'invention, est alimenté par une source 62 à travers une résistance 63 connectéc au drain, la source étant à la masse. la grille 611 constitue l'entrée "haute fréquence" et la borne 64 reliée au substrat 612, l'entrée "basse fréquence. Celle-ci est polarisée négativement par une source 66 à travers une résistance 65. la sortie est prise sur la borne 67 reliée directement au drain. le modulateur de la figure 8 est utilisable - soit pour moduler à l'aide d'un signal de haute fréquence appliqué sur l'entrée 611 une porteuse à basse fréquence appliquée sur la borne 64, la porteuse modulée étant re cueillie sur la sortie 67 - soit pour hacher en signaux rectangulaires destinés à être amplifiés comme s'il s'agissait de haute fréquence, un signal continu, lequel est appliqué du côté du substrat. L'avantage d'un tel modulateur résiae dans le fait qu'il ne comporte qu'un seul transistor. Dans un troisième exemple d'application, on a réalisé un dispositif comportant deux transistors à effet de champ dont l'un, au moins, polarisé selon l'invention, est monté en charge saturable (figure 9). les espaces drain-source des transistors 71 et 72 sont alimentés en série par une source 73 de tension continue avec rctour par la masse. Ia grile 711 du transistor 71 constitue l'entrée du dispositif (sauf si le transistor 71, utilisé cn transducteur, traduit par une variation de caractéristique une grandeur physique telle qu'une contrainte mécanique auquel cas la grille est reliéc à la source par une connexion). la borne Q reliée au drain 712 constitue la sortie du dispositif. le substrat du transistor 71 peut etrc polarisé par une pile 74 mais cela n'cst pas obligatoire, tandis que le substrat du transistor 72 est obligatoirement polarisé négativement (par la bat- terne de piles 75) pour que le dispositif soit réalisé dans le cadre de l'invention. les avantages de ce dispositif sont illustrés par le dia gramme de la figure 10. On a porté en abscisses les tensions ct en ordonnées les intensités. la courbe 81 représente la Car3C- téristique du transistor 71 : elle corrcspond au comportement du dispositif que l'on observerait en court-circuitant le transistor 72 entre drain et source. la courbe 91 représente la caractéristique propre au transistor 72 mais décalée ct inversée puisque l'on a porté cn abscisse la tension entre la borne Q ct la masse. Un point de fonctionnement M1 du montage est donné par intersection des deux courbes. Lorsque la courbe 91 est fixe et que l'on fait varier la courbe 81 par exemple par variation du potentiel de grille (ou par déformation du substrat dans le cas d'un transducteur électromécanique) on obticnt un nouveau point de fonctionnement N1 à l'intersection de la courbe 82 et de la courbe 91 (inchangée).Une différence de potentiel mesurée par le segment m1 n1, soit #1 V est observée sur la borne Q. le dispositif est d'autant plus sensible que les branches des courbes qui se coupent sont moins inclinécs sur l'axe des abscisses Afin d'apprécier le gain de sensibilité du dispositif, on a tracé la courbe 92 correspondant au cas du transistor 72 non polarisé sur SO:1 substrat ; on voit que le segment m2n2 esQ- petit que le segment m1 nl. Parmi les autres avantages de l'invention, on signalera - la réduction de l'influence défavorable des fluctuations de tension d'alimentation en choisissant délibérément une forte tension de polarisation, car l'influence relative de la tension d'alimentation sera atténuée : on rappelle à ce sujet, que la profondeur de la zone déserte varie comme la racine carrée de la différence de potentiel utile. - la compensations des dispersions inévitables dans le cas de la fabrication de série en ajustant la profondeur utile du canal par réglage de la polarisation, ce qui uniformise les performances de dispositifs de même schéma également fabriqués en série. - la réduction des fuites en choisissant un substrat de plus faible résistivité et une forte polarisation b dans ce cas, les capacités parasites par rapport au substrat pourront ne pas etre diminuées. Bien que les exemples d'application décrits et représentés ne comportent que des transistors à canal N, l'invention est applicable aux transistors à canal P en inversant le sens de toutes les polarités. REVNDICATIONS 1. Transistor à effet de champ, du type comportant un substrat semiconducteur d'un type prédéterminé de conductivité, une région semiconductrice du type opposé de conductivité s'étendant dans au moins une partie dudit substrat, des contacts de source et de drain constitués à la surface au matériau semiconducteur dans ladite région, une grille située entre lesdits contacts, ladite grille étant constituée par une jonction de l'un des deux types : métal-semiconducteur (SCHOTTKw) et semiconducteur classique (pu), caractérisé en ce que ledit substrat est muni d'une connexion, cette connexion permettant d'appliquer audit substrat une tension polarisant en inverse la jonction formée par ledit substrat et ladite région. 2. Circuit logique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un transistor suivant la revendication 1. 3. Inverseur logique comportant un transistor suivant la revendication 1, possèdant une entrée entre grille et source dudit transistor, la sortie dudit inverseur étant prise entre drain et source, caractérisé en ce que le potentiel des états "hauts" est identique à l'entrée et à la sortie et que le potentiel des états "bas" est également identique à l'entrée et à la sortie. 4. Porte logique du type "OU NON", caractérisé en ce qu'elle comporte au moins un transistor suivant la revendication 1. 5. Modulateur comportant un transistor suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il possède une première entrée sur la grille dudit transistor et une deuxième entrée sur le substrat dudit transistor. 6. Circuit comportant une charge saturable constituée par un transistor suivant la revendication 1. 7. Circuit comportant un transistor à effet de champ dont l'espace drain-source est monté en série avec une charge saturable constituée par un transistor suivant la revendication 1. 8. Transducteur utilisant un circuit suivant la revendication 7.