Brevet FR2296972A1 — publié le 19760730

L'invention concerne un multiplexeur de signaux fonctionnant également en échantillonneur. L'invention-ntilase-dans certaines de ses variantes l'effet obtenu sur certaines diodes à,l'etat.solidepar un bombardement d'électrons. Cet effet, connu, est décrit dans la littérature, en particulier dans l'article intitulé "Electron Bombarded Semiconductor Devices" de A. Silza-r6 et ai. paru dans Proccedings IEEE-, Août 1974, pages 1119-1158. ll consiste dans l'ionisation du substrat semiconducteur de-ces.diodes au moyen d'un bombardement d'électrons. L'invention utilise l'effet induit par les.porteurs libres résultant de cette ionisation polar le traitement de signaux, dans des conditiôns-nouvelles par rapport à l'art antérieur, comme on le verra à la description qui suit. Ces conditions permettent la réalisation de multiplexeurs d'uie-mise en oeuvre simple, à grand débit et à niveau-élevé Les mêmes dispositifs assurent la possibilité d'un échantillonnage fin des signaux. Dans d'autres variantes de l'inveh- tion ces porteurs libres dont créés par voie photonique. Les- multiplexeurs sont utilisés pour recueillir dans une charge reliée au point commun à plusieurs voies, des impulsions correspondant à des signaux appliqués à l'entrée de ces voies. Selon l'invention chacune 'ces voies est déclenchée successivement au moyen d'un talayage, comme il sera.précisé. Le dispositif permet alors de recueiîlir'dans la charge des impulsions correspondant à l'état des signaux dans. les différentes voies au moment de leur déclenchement. Lorsque ces signaux sont des signaux numériques consistant en des impulsions électriques à plusieurs niveaux, le dispositif reproduit dans la charge, moyennant le synchronisme approprié, les impulsions- dans l'ordre du balayage.Lorsque le signal est un signal analogique,le dispcsitif fournit dans la charge au cours de chaque période du balayage des échantillons de chacun des signaux appliqués aux différentes' vo-.esF ,au-moment de leur déclenchement. En sens inverse le dispositif permet le démultiplexage de signaux appliqués à la charge. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invent. ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée per les figures annexées qui represen - la figure 1, une vue schématique en coupe d'une diode ut. dans les dispositifs de l'invention - la figure 2, un schéma du multiplexeur de l'invention - la figure 3, une vue schématique d'un exemple de réalisa du dispositif de l'invention ; - les figures 4, 5 et 6, des variantes du schéma de la fig les figures 7a et 7b, deux diagrammes explicatifs. La figure 1 représente schématiquement, en coupe, l'une de structures des diodes utilisées,dont on distingue, en 1, le subs de type N, dans lequel a été réalisée, par diffusion par exemple la zone fortement dopée portant le repère 7, marquée P+, d'épais faible, inférieure à 1 micromètre ; on distingue en 2 l'une des électrodes de la diode ; 3 représente la connexion de cette élec séparée du substrat 1 par les deux couches 4 et 8 en matériaux é triquement isolants ; le repère 5 désigne une couche fortement d constituant la seconde électrode de la diode. Dans l'exemple, substrat 1 est fait de silicium dopé au phosphore, la couche 5 e également faite de silicium et la couche isolante 4 d'une épaiss de 2 à 3 micromètres, de silice, SiO2 ; l'électrode 2 est en alu et présente une épaisseur de 2 micromètres environ.Un revetemen métallique 6, en aluminium également, de très faible épaisseur (1000 environ) complète la diode ; il recouvre le substrat con indiqué sur la figure ; son r81e est d'empecher, en fonctionneme les pertes par conduction. Quand la diode est polarisée en inverse par la tension def appliquée à l'électrode 5 reliée à la borne négative d'une sourc de tension, non repérée, dont 11 autre borne est reliée à l'autre électrode à travers une charge, sans repère non plus, comme le n le dessin, il apparaît sous l'effet de cette tension, sous l'éle dans le substrat, une zone de charge d'espace désertée par les I libres du substrat, c'est-à-dire des électrons, qui sont repousc une certaine profondeur sous l'électrode 2 dans le substrat 1 zone est limitée sur le dessin par le contour en pointillé. Dans les conditions normales d'utilisation, cette zone stétent sur toute la profondeur du substrat 1. En l'absence de bombardement, la diode se comporte comme une très faible capacité, d'une valeur pouvant varier d'une fraction de picofarad à quelques picofarads. Torque la diode est bombardée par un faisceau d'électrons (non représenté), frappant la diode à ltendroit du revêtement conducteur 6, les électrons du faisceau, qui traversent ce revêtement sans perte importante d'énergie, vu sa faible épaisseur, créent, par ionisation des atomes du substrat, des paires électrons-trous sur une certaine profondeur dans celui-ci ; dans le silicium cette profondeur est de 1 micromètre pour une tension de bombardement de 10 kV, et la perte d'énergie subie par un électron incident pour provoquer cette ionisation de l'ordre de 3,5 eV.Compte tenu de la polarisation appliquée, ces électrons traversent la zone de charge d'espace en question et induisent dans le circuit d'utilisation un courant d'une intensité facilement de tordre de 1000 à 2000 fois celui du courant primaire, c'est-à-dire le courant de bombardement. A partir d'une certaine intensité du courant de bombardement, la tension apparaissant dans le circuit d'utilisation associé à la diode serait voisine de la tension de polarisation de la diode et par conséquent du signal, puisque dans les dispositifs de l'invention, comme on le verra, cette tension est celle du signal ; grâce à l'importance du courant d'électrons d'ionisation le niveau du signal recueilli dans la charge est, dans les dispositifs de l'invention, très sensiblement supérieur à celui des signaux des multiplexeurs de l'art antérieur. La couche 8, en verre au phosphore par exemple, a pour r81e d'éviter, en particulier, que les électrons secondaires pouvant être émis par le métal de ltélectrode 6, sous l'effet du bombardement d'électrons, n'atteignent la couche isolante 4 en silice et n'augmentent sa conduction. l'un des dispositifs de l'invention est représenté schémati quement sur la figure 2. Le dispositif comporte n voies à une dic chacune ; les signaux sont appliquées aux voies à leur borne d'er (A pour la voie 01) à gauche de la figure. Ces voies. sont numéros de 01 à On, et les diodes correspondantes, 10, 20, .... no. La chf est représentée par la résistance 11, reliée au point 9 commun à toutes les voies, montée comme l'indique la figure. Chaque diode bombardée se comporte comme une capacité aux bornes de laquelle E montée une source de courant.Chaque voie, comme l'indique le def est refermée sur une capacité de découplage C o Dans un exemple, le dispositif de la figure 2 est utilisé c des signaux numériques, s, à deux niveaux, correspondant aux v# de 0 volts et 10 volts respectivement, appliqués à la diode de 1a voie correspondante. L'intensité et la tension du faisceau sont 2 de façon à atteindre dans la charge une tension de l'ordre de 5 5 par exemple. Le temps de réponse de chacune des voies d'un tel s# tème dépend, à charge donnée, du temps de transit des électrons c la diode et de la valeur des capacités des diodes du dispositif. Dans un exemple, avec des diodes présentant une surface bombardée (pièce 6) de 0.04 mm2 et une épaisseur de substrat de 8 micromèt on atteint un temps de réponse ne dépassant pas 250 picosecondes. Ceci amène à souligner une des caractéristiques du disposit de l'invention, celle de permettre un échantillonnage fin des siE appliqués, grâce au temps de réponse très réduit réalisable, comn le montrent les données précédentes, avec un tel dispositif dans lequel la tension de signal est appliquée à la diode. Un tel échantillonnage permet une bonneidentification du si dans le cas où celui-ci, contrairement au cas de l'exemple consid se présenterait sous la forme analogique d'un signal de haute fré quence. Dans le cas de signaux numériques, il permet le multiplexag signaux à plusieurs niveaux. Dans l'un et l'autre de ces derniers cas, il y a uitérêt a3 à maintenir en permanence les caractéristiques du faisceau, inter 3t tension, aux valeurs suffisantes pour assurer la saturation des diodes. Par ailleurs, l'utilisation de voies séparées, pourvue chacune l'une diode, associée au temps de réponse réduit réalisable dans "vaque voie, confère aux dispositifs de l'invention la propriété l'assurer de très grands débits, par balayage des diodes. Des débits de 1 gigabit/seconde sont réalisables avec les lispositifs de l'invention. Ci-dessous est donnée une forme de réalisation préférentielle lu dispositif de l'invention. Comme le montre schématiquement la figure 3, les diodes, dont le nombre a été réduit à six pour la clarté, sont disposées à la périphérie d'un disque isolant 15, chacune reposant par une couche de contact fortement dopée, comme la couche N de l'exemple de la figure 1, sur un support conducteur, 100, 200,... relié à l'entrée de chaque voie, symbolisée per une flèche dirigée vers la gauche. L'autre face des diodes est exposée au bombardement par un pinceau d'électrons, bande couverte de points, fourni par un canon dont seule la cathode 13 a été représentée, comme non spécifique de l'invention; ce pinceau bombarde successivement les diodes, dont on nta pas représenté le détail, de façon à produire l'ionisation dans la zone désertée comme expliqué précédemment. Les diodes sont reliées par leur face bombardée, au moyen de connexions 12,à une électrode conductrice 14 constituant le point commun à toutes les voies, placée au centre du disque 15 et reliée à la charge 11.Le déplacement de l'impact du pinceau d'électrons est obtenu au moyen de deux systèmes de plaques horizontales et verticales, 16 et 17, entre lesquelles sont appliquées des tensions sinusoTdaies. La fréquence voisine de 160 MHz correspondant au débit de 1 gigabit/seconde cité est parfaitement réalisable dans l'état actuel de la technique des oscilloscopes. Dans la disposition circulaire décrite, le temps de retour est nul, contrairement au cas d'une disposition linéaire où ce temps, important, peut limiter les performances, les débits en particulier. Le centrage du faisceau par rapport aux diodes du dispositif de la figure 3 peut autre amélioré en asservissant les tensions des plaques à une combinaison du courant recueilli sur des sondes placées entre les diodes sur le cercle sur lequel elles sont disposées, l'intensité du faisceau régulée par asservissement de l'électrpd de commande-du faisceau, ou de toute autre électrode intermédiai du canon à électrons, à la somme des courants recueillies sur ce sondes. Dans une variante du dispositif de la figure 2, chacune de voies comporte, en plus une seconde diode montée en opposition a celle déjà mentionnée et soustraite à l'action de l'agent ionisa La figure 4 montre l'une des voies, entre les points C et 3, de variante, où 101 représente la seconde diode ; cette diode évite les signaux entrant sur les différentes voies puissent réagir 1' sur l'autre. Le mtme montage, à condition que les deux diodes 10 et 101 d'une mtme voie soient bombardées par le faisceau simultanément, met de traiter des signaux numériques à trois états correspond exemple aux tensions 0 volts, 10 volts et -10 volts. I1 fait l'( de la figure 5, représentant comme la figure 4 l'une des voies, les points C et B ; dans le cas de la figure 5, la diode en fonts nement 101 est bombardée en meme temps que la diode 10, ce que : a indiqué par le point noir dans la diode 101.Dans ce montage, l'une ou l'autre des diodes qui produit le signal induit dans lc charge suivant que ce signal est dans l'état positif ou négatif fait que l'autre diode polarisée en direct soit aussi bombardée modifie pas le comportement de la voie, lors de cette transmis: Enfin le dispositif permet le démultiplexage de signaux d même nature que les signaux sortants précédents appliqués au po: commun Quel que soit l'état du signal, état + ou -, la diode b de la voie (fig. 5) produit un signal transmis à l'entrée de cevoie. Sur chaque voie,un dispositif de mise en forme et d'ampli non représenté, permet de reconstituer les signaux appliqués. t variante de la figure 4 permettrait dans des conditions analogue le démultiplexage de signaux à deux niveaux. Dans ce qui précède, on a décrit des exemples dans lesque les porteurs libres utilisés étaient obtenus par ionisation du trat par un bombardement d'électrons sur les diodes. On a indiq aussi que ces porteurs libres pouvaient etre d'origine photonique Sans ce cas les diodes desschémas sont des photodiodes exposées à un rayonnement auqud elles sont sensibles, par exemple pour des photodiodes R substrat de silicium à un rayonnement du spectre visible ; dans ce cas le point noir des figures schématise la trace du rayonnement incident sur les photodiodes. On notera qu'en réglant l'écartement des diodes par rapport zux dimensions de l'impact QU faisceau de bombardement, on pourra rugir sur la forme du signal recueilli dans la charge, pour une forme Sonnée des signaux appliqués à l'entrée des voies (ceci est valable en particulier pour la structure de la figuré 3). es figures 7a et 7b en donnent un aperçu. Sur la ligne centrale de ces figures, on a indiqué la forme de l'impact du faisceau se déplaçant dans le sens :le la flèche par rapport aux diodes représentées par les rectangles ouverts de hachures (zone 6 de la figure 1).Sur la ligne du bas, est représenté le signal obtenu à la sortie du dispositif, en supposant ue les voies correspondant aux deux diodes représentées soient dans Le mme état lors du passage du faisceau sur ces diodes ; dans le cas l'un faisceau comme celui de la figure 7 (a) on obtiendra des signaux emparés, tandis que dans le cas de la figure 7 (b) on obtiendra un signal pratiquement continu. Sur les schémas des figures 4 et 5, on a représenté des formes le réalisation du dispositif de l'invention dans lesquelles chaque oie comporte seulement deux diodes montées en opposition. I1 va 3ans dire que chacune de ces diodes peut entre remplacée, dans une variante également comprise dans l'invention, par un ensemble de liodes montées de façon à entre polarisées dans le même sens par le signal comme l'indique à titre non limitatif le schéma de la figure 6, zù l'on a représenté deux diodes de chaque ensemble, 10 et 10a d'une ?art et 101 et 101a d'autre part, dans le cas où toutes les diodes ont soumises simultanément à l'agent ionisant. Un tel montage permet, toutes choses égales, de diminuer la capacité de la voie. REVENDICATIONS 1. Multiplexeur de signaux à n voies comprenant chacune un ou plusieurs. diodes à l'état solide en série entre une borne d'e: de la voie et un point commun relié à une charge, le signal étanappliqué dans chaque voie à ladite.borne d'entrée et de façon à polariser en inverse au moins l'une des diodes de ladite voie, e à créer dans le substrat semiconducteur de ladite diode une zone désertée par les porteurs libres dusubstrat, caractérisé en ce q comporte des moyens pour soumettre, par balayage successif des vx dans chacune de ces voies, au moins celles desdites diodes polar en inverse, à un agent ionisant créant dans leur zone désertée d porteurs libres se déplaçant dans cette zone et induisant dans 1 charge un signal dont l'amplitude dépend du signal appliqué à la voie au moment ou elle est soumise à l'action dudit agent ionisa 2. Multiplexeur suivant la revendication 1, caractérisé en que lesdits substrats sont des substrats de type N et ledit agen ionisant un faisceau d'électrons bombardant lesdits substrats da ladite zone. 3. Multiplexeur suivant la revendication 1, caractérisé en que chaque voie comporte une seule diode et en ce que lesdits si sont des signaux numériques à deux états, l'un nul, l'autre cons: en une impulsion de tension de valeur constante polarisant en in ladite diode. 4. Multiplexeur suivant la revendication 2, caractérisé en que-lesdites diodes sont di#sposées en cercle sur un support fixe en ce qu il comporte des moyens pour dévier ledit faisceau d'éle trons de façon à déplacer circulairement son impact de l'une à l'autre desdites zones. 5. Multiplexeur suivant la revendication 4, caractérisé en que lesdits moyens de déviation consistent en deux paires de pla et en des moyens pour appliquer entre les plaques de chacune des paires une différence de potentiel variant sinusordalement dans temps. 6. Mbltiplexeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce Le chacune desdites voies comporte un premier ensemble de diodes > ntées de façon à entre toutes polarisées dans le même sens par un même gnal et un second ensemble de diodes montées en opposition avec les nécédentes, entre ladite borne d'entrée et ledit point commun, et )n soumises audit agent ionisant , ledit dispositif assurant en par Lculier le traitement de signaux numériques à deux états, l'un nul, 'autre consistant en une impulsion de tension de valeur constante Dlarisant en inverse les diodes dudit premier ensemble. 7. Miltipleseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce le chacune desdites voies comporte un premier ensemble de diodes entées de façon à être toutes polarisées dans le meme-sens par un même ignal et un second ensemble de diodes montées en opposition avec es précédentes entre ladite borne d'entrée et ledit point commun, es deux dits ensembles étant soumis tous. deux simultanément audit gent ionisant, ledit dispositif assurant en particulier le traitement e signaux numériques à trois états, l'un nul, et les deux autres consAs- ant en des impulsions de tension de valeur constante dont l'une polaise en inverse les diodes du premier ensemble et l'autre les diodes u second ensemble. 8. Multiplexeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce ue lesdits signaux sont des signaux analogiques dont le dispositif s sure 1! échantillonnage. 9. M~ltiplexeur suivant la revendication 1, caractérisée en ce ue ledit agent ionisant est un rayonnement photonique frappant .esdits substrats dans ladite zone, et lesdites diodes,des photodiodes ;ensiles audit rayonnement.