Brevet FR2269788A1 — publié le 19751128

L'invention a pour obJet un composant à l'état solide de très faibles dimensions pouvant prendre deux états stables et ayant une grande rapidité de commutation, et pouvant basculer d'un état à l'autre sous l'action de courants de très faibles amplitudes. De tels dispositifs sont connus : les transistors bipolaires par exemple ont une consommation relativement élevée, et des dimensions relativement grandes. Ils présentent toutefois une grande rapidité de commutation. Les transistors de type MOS ont une faible consommation, mais sont peu rapides. On pourrait en citer d'autres qui sont ou difficiles à réaliser ou sont peu rapides, comme les diodes "tunnel" par exemple. L'invention a pour objet une bascule bistable, comportant un composant solide de très faibles dimensions, ayant une faible consommation, une très grande rapidité, et dont la réalisation est rendue possible par les techniques de la nanoélectronique. Le composant selon l'invention comporte deux transistors complémentaires intégrés sur le même substrat. Il se caractérise essentiellement en ce que dans une zone semiconductrice d'un premier type de conductivité, sont implantés tous les éléments des deux transistors, cette zone comportant deux parties, dont une de très faibles dimensions sert de base à un des deux transistors, l'autre, de collecteur au deuxième transistor, la base de l'autre transistor étant elle-même de faibles dimensions et ne comportant aucun accès direct à l'extérieur, des connexions étant prévues pour connecter ladite zone à une borne de sortie, l'émetteur du transistor dont ladite zone contient la base à une borne d'entrée et 11 émetteur du transistor dont ladite zone constitue le collecteur à une source de tension fixe qui peut être à la masse L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après en se référant aux dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 représente, vu en coupe, et la figure 2, du dessus, un premier exemple de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente le schéma équivalent du dispositif des figures précédentes - les figures 4, 5 et 6 sont des courbes explicatives ; - les figures 7 et 8 représentent un deuxième mode de réalisation de l'invention, et - les figures 9 et 10 un troisième exemple de réalisation de l'invention. Sur toutes les figures, les memes références désignent les memes organes. Sur les figures 1 et 2, on voit intégrés sur un substrat 1, deux transistors complémentaires T1 et T2 ;-le premier transistor T1 comporte un émetteur 11 constitué d'une zone de type n+ implantée dans une zone 12 de type p, elle-meme implantée dans le substrat, de type n de conductivité. La zone n+ a une concentration d'impuretés de l'ordre de 1019 at/cm3, la zone p une concentration de l'ordre de 1016 at/cm3, le substrat une concentration de l'ordre de 1014 at/cm3. Une zone 13 de type n, de concentration de l'ordre de 1017 at/cm3 sert de collecteur à ce premier transistor T1, dont la base est la portion de la zone 12 comprise entre les zones 11 et 13.A titre d'exemple, les épaisseurs des deux zones 11 et 13 sont respectivement de 0,6 et 0,5 micron ; elles sont écartées de 0,5 micron. Le premier transistor T1 est donc du type latéral, le courant y circulant parallèlement à la surface du composant. Dans la zone 12 est implantée une zone 14 de type p+ d'épaisseur de l'ordre de 0, 2 micron et de concentration de l'ordre de 1019 at/cm3. Le deuxième transistor T2 a pour collecteur la zone 12, pour base la zone 13, et pour émetteur, une zone 15 implantée dans la zone 13 de type p+. Cette zone 15 a des dimensions sensiblement identiques à celles de la zone 14. Une méthode de réalisation peut etre la suivante : le substrat par exemple de silicium peut etre recouvert d'une couche de silice par oxydation in situ. Dans cette couche peut être ouverte, Figure 2, une première fenetre 100. Dans cette fenêtre, la zone 12 peut être réalisée par implantation ionique. Puis par masquage électronique et par implantation ionique, on réalise les autres zones, ce qui permet d'obtenir les faibles dimensions obtenues. Ensuite par les techniques habituelles d'évaporation sous vide sont réalisés des contacts par exemple d'aluminium. Un contact 16 est realisé sur la zone 11, un contact 17 sur la zone 15, un contact 18 sur la zone 14. La tension d'entrée est appliquée sur le contact 16. Le contact 17 est à la masse. La borne de sortie est appliquée sur le contact 18 La figure 3 représente le schéma équivalent de l'ensemble représenté sur les figures 1 et 2. On y retrouve les transistors T1 et T2, la base 12 du transistor T1 étant reliée au collecteur du transistor T2, la base 13 du transistor T2 étant reliée au collecteur du transistor T1, l'émetteur 15 du transistor T2 étant reliée à la masse. L'émetteur 11 du transistor T1 est relié au ple - d'une source de tension continue fixe ou variable Bt par l'intermédiaire d'une résistance de charge RE. L'ensemble 12, collecteur du transistor T2 et base du transis intermédiaire relié par l'intermédiaire dune résistance R5 à une source de tension continue fixe ou variable B2. Une borne d'entrée-E et une borne de sortie S sont prises entre respectivement les éléments 11 et 12 et les résistances de charge RE et Le fonctionnement de l'ensemble se comprendra à l'aide des courbes des figures suivantes on supposera tout d'abord Vs fixe (tension aux bornes de la batterie B1) et Ve (tension aux bornes de la batterie B2) variable et croissant en valeur absolue. Quand la tension V est constante, si au point E est appli quée une impulsion négaçive de tension d'amplitude suffisamment élevée, ou si la tension VE est suffisamment basse (haute en valeur absolue) par elle-même, le transistor T1 qui a sa base à la tension fixe Vs, son émetteur à la tension VE, se met à l'état conducteur, çt un chemin de conduction s'établit entre l''émetteur 11 de T1 et la base 13 du transistor T2. Cette base prenant un potentiel voisin de VE, le transistor T2 devient conducteur à son tour et un courant IS traverse la résistance Rs. L'expérience montre que pour une tension fixe aux bornes de la batterie B2, le dispositif est conducteur. Au-dessus de cette tension il est bloqué. On peut analyser le phénomène de façon plus detaillée, en se reportant à la figure 4 où VE est fixe, Vs variable. Sur cette figure sont portées en abscisses, les valeurs absolues de la tension Vs, celle-ci étant en fait toujours négative. Autrement dit, à une grande valeur de Vs sur la figure 4 correspond une valeur fortement négative de cette tension. En ordonnées sont portées les valeurs correspondantes de Is. VE est maintenu constant. Si Vs croît à partir d'une faible valeur#, le transistor T1 est passant, l'émetteur il de T1 injecte un courant 1B2 dans la base 13 de T2. -A-partir d'un seuil Vs Vi le transistor T2 devient passant, et son courant collecteur est 1C2 f32 1B2 > 82 étant le gain de Tz. Si Vs augmente, ss 2 croît et IC2 croît suivant la pente de saturation du transistor T2. Si Vs augmente encore, et tend à se rapprocher de la tension délivrée par la batterie B2, un courant de plus en plus faible circulera dans la résistance RE. Pour une certaine valeur V2 de Vs, le transistor T1 verra sa base portée à un potentiel tel qu'il soit bloqué. Le transistor T2 tendra lui aussi à être bloqué, et la totalité de la tension Vs sera appliquée aux bornes de la résistance Rs, le courant IS baissera et sa pente S sera 1 VS proportionnelle à R ss quand VS sera voisine de la tension délivrée par la batterie B2 le courant IS sera très voisin de zéro. La tension V est égale à V3 (partie Il de la courbe). S On va étudier ce qui se passe si Vs décroît de V3 à zéro. Au départ pour Vs i V35 les deux transistors étant bloqués, le courant IS reste faible. Dès que la tension V2 sera atteinte, le transistor T1 sera débloqué et le courant augmentera en suivant la pente 1 (partie IV) jusqu'à ce que les courbes Rs I et Il se rencontrent. On a donc pour ce circuit, un cycle d'hystérésis. Pour l'ensemble décrit précédemment, les données numériques sont telles que l'ensemble soit passant pour VS - VEO,S volt ; il est bloqué pour VS - VE La figure 5 montre un réseau de courbes IS = f (VS) obtenues expérimentalement au moyen d'un ensemble selon l'invention, pour différentes valeurs de VE, la résistance RE étant négligeable, les 6 courbes ont été obtenues pour des tensions VE. courbe O VE =- ,5 volt, 1 V E =-0,51 " 2 VE =-0,52 3 VE -0,53 4 VE =-0,54 " 5 VE =#O,55 La figure 6 est obtenue pour des valeurs de Vs égales à 0, -0,1, -0,2,-0,3, -0,d, -0,5, -0,6, et donne les variations pour ces valeurs de IE = f (VE) L'élément semiconducteur selon l'invention permet de telles performances grâce à la faible surface de la base du transistor, ce qui permet d'avoir de faibles dimensions, un temps de basculement très court, et un seuil de déclenchement VS - VE très faible. De plus, si plusieurs éléments sont intégrés sur le même substrat, ils sont isolés les uns des autres puisqu'ils sont placés chacun dans une caisse de type de conductivité opposé à celui du substrat. Chaque composant peut occuper un volume de 2 microns de largeur, 5 microns de longueur et de 1 micron d'épaisseur. Le déclenchement d'un état à l'autre peut être obtenu en faisant VE fixe, Vs variable et vice-versa. Sur les figures 7 et 8, est représenté en coupe et en plan respectivement un autre exemple de réalisation. Ce composant a un substrat 20 de type n comme le substrat de exemple précédent. L'entrée E est connectée au contact 27, connecté à une zone p+ 25 ; la sortie S est connectée à un contact 28, lui-même connecté à une zone n+ 21 ; -cette zone a été implantée en même temps que la zone 23 connectée au contact 26, qui est lui-même connecté à la masse. Le fonctionnement de ce dispositif est identique à celui des figures précédentes. Le transistor T1 npn formé de l'émetteur 25, de la base 24 et du collecteur 21 est latéral et sa base n'est pas accessible de l'extérieur. Le transistor T , transversal, comporte l'émetteur 25 de type p+, la base 212 de type n, et le collecteur 24, dont une partie est la base du transistor T1. La figure 8 et la figure 9 représentent un troisième exemple de réalisation de l'invention. Dans cet exemple, une jonction p.n est remplacée par une jonction de type Schottky. Le composant représenté figures 9 et 10 est analogue S celui représenté figures 1 et 2, et les mêmes éléments y sont désignés par les mêmes références. Le substrat 10 est de type p. Le contact de sortie est pris sur la face opposée du substrat par rapport à la face où ont été procédées les implantations.Lazone p+ du transistor transversal est remplacée par un contact métal semiconducteur formant une jonction de Schottky. Ce mode de réalisation est moins avantageux que les précédents. Pour un dispositif de ce type ayant un substrat de silicium de type p et de résistivité de 100 ohms/cm, des zones implantées 11 et 13 de type n+ et n respectivement de surface de 2 X 2 microns, et des contacts en aluminium, on a constaté un basculement à l'état passant pour VS - VE V3 - VE# ) 0,5 volt. La vitesse de basculement de la structure a été mesurée en attaquant l'électrode d'entrée par des signaux alternatifs d'amplitude de 1,5 volt et de fréquence de 10 MHz, le point S étant polarisé à -1 volt. On a obtenu des signaux de réponse carrés avec des fronts de montée et de descente de 3 nanosecondes. REVENDICATIONS 1. Composant à l'état solide comportant deux transistors complémentaires intégrés sur le même substrat, caractérisé en ce que dans une zone semiconductrice d'un premier type de conductivité sont implantés les éléments des deux transistors, et en ce que dans le premier des transistors le courant circule parallèlement à la sur face du substrat et dans le deuxième transistor perpendiculairement à cette surface, ladite région comportant une première partie de très faibles dimensions servant de base au premier transistor, la deuxième partie de grandes dimensions de collecteur au deuxième transistor, la base du premier ou du deuxième transistor ntayant aucun accès vers l'extérieur. 2. Composant suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone constitue le substrat, un contact étant prévu sur la face opposé du substrat, et deux contacts respectivement sur l'émetteur. du premier transistor et du deuxième transistor. 3 Composant suivant la revendication l, caractérisé en ce que ladite zone est implantée dans un substrat du deuxième type de conductivité. 4. Composant suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'émetteur du premier transistor est une zone implantée du deuxième type de conductivité fortement dopée, ladite zone étant faiblement dopée, émetteur du deuxième transistor étant du premier type de conductivité- fortement dopé, sa base qui sert de collecteur au premier transistor du second type de conductivité ladite région comportant une zone fortement dopée, des contacts étant prévus sur respectivement 11 émetteur du premier transistor, l'émetteur du deuxième transistor et ladite zone fortement dopée. 5. Composant suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite zone faiblement dopée ne comporte aucun accès vers ltextérieur, l'émetteur du premier transistor est une zone implantée fortement dopée du second type de conductivité,son collecteur, qui sert de base au second transistor une région comportant une zone du second type de conductivité fortement dopée, l'émetteur du second transistor implanté dans cette région étant une zone fortement dopée du premier type de conductivité, des contacts étant prévus sur l'émetteur du premier transistor, l'émetteur du second transistor, et le collecteur du premier transistor, et la base du second transistor. 6. Composant suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que ses dimensions ne dépassent pas 5 microns. 7. Composant suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier type de conductivité est de type p, le second de type n. 8. Bascule comportant un composant suivant les revendications 4 et 7, caractérisé en ce que l'émetteur du premier transistor est connecté à une borne d'entrée et par une première résistance au pôle - d'une première batterie dont le pôle + est à la masse, le collecteur du second transistor à une borne de sortie et par l'intermédiaire d'une seconde résistance au ple - d'une seconde batterie dont le pôle + est à la masse, émetteur du second transistor étant relié à la masse, des moyens de variations de tension étant appliqués à la borne d'entrée ou à la borne de sortie. 98 Circuit, caractérisé en ce qu'il comporte des bascules suivant la revendication 8.