Brevet FR2251100A1 — publié le 19750606

L'invention concerne un dispositif à semiconducteurs du type à résistance saturable, réalisant la fonction de source de courant constant, et présentant certaines compensations en température utiles pour les circuits intégrés monolithiques. Un tel dispositif comporte au moins une source de tension continue et un semiconducteur constitué par un composant discret ou un élément de circuit intégré comportant d'autres éléments de circuits actifs ou passifs. On connaît des dispositifs comportant un transistor à effet de champ dont la grille est reliée à la- source par une connexion directe de résistance ohmique négligeable. Un tel transistor, branché par sa source et par son drain aux bornes d'une source de tension continue, en série avec un circuit d'utilisation actif ou passif, constitue pour la source une charge résistive traversée par un courant pratiquement constant quand la tension demeure dans certaines limites, la température étant bien définie. Ces dispositifs sont très sensibles aux variations de température ce qui oblige fréquemment à prévoir leur fonctionnement en enceinte thermostatée. L'invention permet de s 'affranchir notamment de cet incon vénient. Be dispositif selon l'invention concerne au moins une source d'alimentation à courant continu, de faible résistance interne, ayant au moins une borne positive et une borne négative. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un transistor à effet de champ à jonction possèdant des électrodes de source, de grille et de drain ainsi qu'un canal de l'un des deux types de conductivité N et P ; et deux bornes d'utilisation, dont l'une est reliée à ladite électrode de source et l'autre à une première borne de ladite source dtalîmentation :négative si ledit canal est de type N, positive si ledit canal est de type P ; en ce que ledit drain est relié à une deuxième borne de ladite source dtal3nentation de polarité opposée à celle de ladite première borne ; et en ce que ladite grille est reliée à travers une forte résistance à une troisième borne de ladite source d'alimentation de polarité opposée à celle de ladite première borne. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaltront au moyen de la description qui suit et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels les figures 1, 2 et 3 mettent en évidence les zones de charge d'espace apparaîssant dans des dispositifs à semiconducteurs de type connu les figures 4 et 5 représentent schématiquement deux exemples de réalisation de l'invention les figures 6 et 7 sont des courbes explicatives les figures 8 et 9 représentent des circuits d'application du dispositif selon l'invention.. On a représenté en coupe, figure 1, les parties semiconductrices d'une diode à jonction de type PE. Dans un cristal 1 de forme parallèlépipédique on a dopé respectivement pt et-N deux régions 11 et 12 du cristal 1 délimitées par une frontière commune qui est approximativement un plan 13 constituant la surface de jonction. On sait que deux charges d'espace de signe contrairetse forment de part et d'autre du plan 13. Du c8té P+, cette charge d'espace est constituée par des atomes donneurs 3, ions négatifs liés aux mailles du cristal 1. Elle s'étend sur une hauteur h comptée perpendiculairement au plan 13.Du côté N elle est constituée par des atomes accepteurs 4, ions positifs Elle s'étend sur une hauteur H, supérieure à h parce que la densité d'atomes accepteurs ç du côté N est inférieure ala densité atomes donneurs dp du côté P, sachant que l'on a, en effet, H dN = h dp L'ensemble des deux charges d'espace forme une zone de hauteur totale (H+h) variant comme la racine carrée de la barrière de potentiel qui caractérise la jonction Pli. Dans le cas de la figure 1, cette jonction nte,tant soumise à aucune différence de potentiel exterieure, la barrière de potentiel est désignée par Vbi (potentiel "barrière isolez"). Cette barrière de potentiel Vbi varie avec la température on constate expérimentalement qu'elle décrolt avec la température d'environ I millivolt par degré centigrade. Figure 2, on a représenté la meme diode 1, munie d'électrodes 110 et 120 respectivement implantées dans les régions P ct N. Grâce à une alimentation continue 20 on applique une tension VpN entre les régions P et N. Suivant le sens positif ou négatif de V les hauteurs h1 et H1 des nouvelles zones de charge d'espace diminuent ou augmentent. leur hauteur totale est fonction de la nouvelle barrière de potentiel qui est, comme il est connu Vb = Vbi XPN Le principe de l'invention cnnsiste à maintenir constant le potentiel Vb malgré les variations de température. On réalise à cet effet, un dispositif qui fait varier VPN de la meme quantité que h i comme il sera montré plus loin, et l'on créé ainsi une compensation automatique des effets de la température. Figure 3, on a représenté en coupe les parties somiconductrices d'un transistor à effet de champ à canal de type N. Un substrat 31, par exemple en silicium dopé Pt, supporte une couche 32 dopée N ou sont implantées - des régions 33 et 34 dopées Nf utilisables comme source et comme drain - une région 35 dopée P+, utilisable comme grille Entre la région 35 et le substrat 31 on trouve successive- ment deux jonctions de sens inverse : PN et HP. Onadessiné les limites 351, 352, 311 et 312 des zones de charge d'espace de ces jonctions analogues aux zones 3 et 4 de la diode de la figure 1.On voit que la largeur e du canal du transistor à effet de champ est fixée par la distance qui sépare les limites 312 et 352. Cette distance est fonction des hauteurs des barrières de potentiel Vbi (ou Vb quand la grille est sous tension) rclativos aux jonctions ?NetHP. En conséquence, si le principe de l'invention est appliqué, les potentiels Vb étant constants, les hauteurs des charges d'espace, la distance "e" et par suite le- courant de saturation dans le canal demeurent également constants. La figure 4 représente un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Une source d'alimentation 40 fournit, entre une première borne positive 401 et une borne négative 403, une première tension continue et, de même, entre une deuxième borne positive 402 et la borne négative 403, une deuxième ten- sien continue par exemple inférieure à la première. Un transistor à effet de champ 41 du type à canal N, a son drain 411 relié à la borne 401, sa source 412 reliée à une borne 43 d'utilisatien du dispositif et au substrat (non représenté) du transistor 41.Quant à la grille 415, elle est reliée à la borne 402 par l'intermédiaire d'une résistance Rg. Cotte résistance a une forte valeur par rapport à la résistance interne do la source, qui est, par exemple d'une fraction d'ohm, alors que R g est de plusieurs milliers d'ohms, par exemple. Une deuxième borne d'utilisation 44 est reliée à la borne 403. On a dessiné figure 6 une caractéristique (courant Ig tension Vg) de la diode PN existant entre la grille et le canal dans le transistor 41. Elle est représentée par une courbe K20 pour une température do 200 C et par une courbe K70 pour une température de 700 C. Dans le cas du dispositif représenté figure 4, le point de fonctionnement do la jonction PN de grille est obtenu par intersection de la caractéristique K, valable à la température de fonctionnement et d'une droite de charge D, de pente - ## passant par le point de coordonnécs V = Vo et Ig = O. A 200 C et à 700 C on aura g g respectivement les points do fonctionnement A (VA, IA) et B (VB, IB). On remarque que si R g est grand, les ordonnées IA et sont sensiblement égales ce qui signifie que le courant do grille est maintenu sensiblement constant.Quant aux abscisses leur différence VA - V3 mesure pratiquement le décalage de la tension de seuil (à courant grille prédéterminé) entre les to- pératures 200 et 700 C. Or, on sait que ce décalage est dû à la variation de la barrière de potentiel c'est-à-dire de ce qui a été désigné par Vbi. On constate que la tension Vg c'est-à-dire la tension VPN de la jonction de grille suit exactement les variations de la tension de seuil. Il en résulte que la tension Vb = Vbi - VPN demeure constante quelle que soit la température. On a relevé la courbe (figure 7) donnant le courant de drain Id en fonction de la tension de drain Vd dans le montage de la figure 4, dans lequel un élément actif (non représenté) a été placé dans le circuit d'utilisation (entre les bornes 43 et 44). Cette courbe comporte doux parties - une partie OC rectiligne à forte pente (région chimique pour une tension Vd inférieure à une certaine valeur V p - une partie CE à ponte très faible (région de saturation) au delà de la tension Vp. On déduit de cette courbe que si l'on a une tension Vd supérieure à une certaine tension de déchet Vp, le transistor à effet de champ se comporte comme une résistance saturable. Dans le cas de l'invention cette courbe est sensiblement indépendante de la température. Dans une variante de l'invention, représentée figure 5, on a un dispositif analogue à celui de la figure 4 dans lequel la seule différence consiste dans le fait que la borne 402 est supprimée et la résistance R qui lui était connectée, est reliée à la borne 401. Le fonctionnement est identique dans son principe : les courbes K sont inchangées g la droite D subit une translation, l'abscisse à l'origine VO étant différente. Lt invention stapplique au cas des transistors à effet de champ dans lequel la grille comporte une jonction du type SCHOTTKY, c'est-à-dire est réalisée par un dépôt métallique sur le semiconducteur. On sait qu'il se développe dans le matériau semiconducteur une zone de charge d'espace analogue à celle observée dans le cas do la jonction PN. On observe donc encore une barrière de potentiel. Des mesures effectuées dans le cas de la jonction SCHOTTKY ont permis d'établir des coefficients do variation (diminution) par degré de température - de 1,8 mV/ C en ce qui concerne Vbi - de 1#,6 à 1,7 mV/ C en ce qui concerne VA et VB telles qu'ont été définies ces deux tensions à propos de la figure 6. Ces coefficients étant égaux à 10 , près, la variation cu courant de saturation est divisée par un facteur 10, dans le dispositif de l'invention. Doux applications de l'invention ont été représentées figures 8 et 9, dans les doux cas on trouve un transistor à effet do champ 81 ayant son drain et sa source respectivement reliés aux bornes 43 et 44 du schéma de la figure 4. On au supposé dans les deux cas qu'ont été formés sur une forme plaquette semiconductrice 80. - les transistors 41 et 81 - la résistance Rg. Autrement dit, il s'agit de réalisation du type "circuit intégré". Dans le cas de la figure 8; le transistor 81 comporte une grille 810 susceptible do recevoir un signal d commande, lequel est en fait appliqué entre grille et source. On sait que. dans un tel montage on peut obtenir entre une borne de sortie 83 reliée à la borne 43 et unc-borne 84 reliée à la source du transistor 81 des signaux do sortie présentant le même rythme que le signal de commande mais de caractéristiques électriques différentes les rendant plus facile à utiliser. Le transistor 41 sert de charge à courant constant pour le transistor 81 et, de plus, dans le cas de l'invention ce courant sera indépendant de la température ce qui procurera la stabilité des signaux de sortie. Dans le cas de la figure 9, la grille du transistor 81 est reliée à la source. Dans ce cas, les signaux d'entrée sont par exemple constitués par des variations de contrainte exercées sur la plaquette 80. Il en résulte une variation de conductivité de espace drain-source à l'intérieur du matériau seraiconducteur (dépendant de l'orientation du canal de conduction par rapport aux contraintes). Le transistor 81, chargé par le transistor 41 se comporte alors comme une jauge de contrainte. Il peut servir du capteur ou de transducteur. L'invention est applicable aux transistors à effet de champ dits normalement bloqués" c' est-à-dire non passants pour un potentiel de grille égal à celui de la source. Or, dans la tecil- nologie actuelle, les limites 312 et 352 des zones de charge d'espace représentées figure 3 sont souvent confondues ou meme se chevauchent ce qui procure certains avantages pour constituer des circuits logiques ou analogiques à grande rapidité et à faible consommation. Dans ce cas, les transistors de charge peuvent être constitués suivant la même technologie et fonctionner à courant constant grâce au potentiel de grille positif (cas du canal de type N) appliqué sur la grille. Ceci constitue wn avan- tage supplémentaire de l'invention. Les exemples décrits et représentés portent sur des transistors à canal N. Dans le cas de transistors à canal P, les polarités doivent etre changées de signe. REVENDICATIONS 1. Dispositif à semiconducteurs du type à résistance satu- rable, avec compensation de température, comprenant au moins une source d'alimentation à courant continu de faible résistance interne comportant au moins une borne positive et une borne négative, caractérisé en ce qulil comporte - un transistor à effet de champ à jonction possédant des électrodes de source, de grille et de drain ainsi qu'un canal de l'un des deux types de conductivité N et P, - et deux bornes d'utilisation, dont l'une est reliée à ladite électrode de source et l'autre à une première borne de laditc source d'alimentation : négative si ledit canal est de type N, positive si ledit canal est de type P, en ce que ledit drain est relié à une deuxième borne de ladite source d'alimentation de polarlté opposéc à. celle de ladite premièrc borne, et en ce que ladite grille est reliée à travers une fort c résistance à une troisième borne de ladite source d'alimcntatlon dc polarité opposée à cclle de ladite première borne. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième et la troisième bornes de ladite source d'-animen- tation sont confondues on une scule et meme borne. 3. Dispositif suivant l'unc des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la jonction do grille dudit transistor est du type SCHOTTEY. 4. Circuit d'application du dispositif suivant l'une des rovendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que ledit transistor étant à canal N ou P, un deuxième transistor à effet de champ, à canal' de m8mc type que le premier, est connecté en série avec celui-ci, le drain du deuxième transistor étant relié à la source du premier et la source du deuxième transistor étant reliée ladite première borne de ladite source d'alimentation, la grille. du deuxième transistor étant disponible pour recevoir un signai de commando et un signal de sortie étant prélevé entre le drain et la source du deuxième transistor, 5. Circuit d'alimentation du dispositif suivant l'une des revendicatio#1, 2 et 3, caractérisé en ce que ledit transistor étant à canal N ou P, un deuxième transistor à effet de champ à canal de momie type que le premier est connecté en série avec eelui-ci, le drain du deuxième transistor étant relié à la source du premier et la source du deuxième transistor étant reliée à ladite promière-borne de ladite source d'alimentation, la grille du deuxième transistor étant reliée à la source du meme transistor, les canaux des deux transistors étant soumis à des contraintes mécaniques différentes. 6. Circuit intégré comportant un dispositif suivant l'une des revendications 1, 2 et 3. 7. Circuit intégré comportant au moins les deux transistors à effet de champ du dispositif suivant l'une des revendications 4 et 5.