Brevet FR2318507A1 — publié le 19770211

La présente invention a pour objet la réalisation du produit de convolution de deux signaux, plus particulièrement à l'aide d'un dispositif utilisant la propagation d'ondes élastiques à la surface d'un semicondunteur. Différents systèmes utilisant des ondes élastiques pour réaliser une convolution de deux signaux sont connus, parmi lesquels on peut citer celui qui est constitué par un substrat piésoélectrique en forme de plaquette, muni d'un transducteur à chaque extrémité d'une face de la plaquette ; des ondes élastiques émises par ces transducteurs en sens opposés interagissent de façon lioeï linéaire et le sl- gnal résultant est prélevé entre deux électrodes disposées chacune sur la partie centrale d'une face de la plaquette. t1inconvenient majeur d'un dispositif de ce tVTDe est le faible rendement, On connait également des dispositifs constitués de même par une plaquette piézoélectrique ayant un transducteur à chacune de ses extrémités, mais comportant ce plus une plaquette de semiconducteur placée à faible distance de la première, dans laquelle se produit une interaction non linéaire des vamps produits par les ondes élastiques se propageant à la surface de la première plaquette ; le s-l- gnal résultant est prélevé entre deux électrodes, placées sur les faces des plaquettes qui ne sont pas en vis-à-vis.Ce dispositif a un meilleur rendement que le préeedenl, mais la distance qui doit être maintenue entre les deux plaquettes, dans la région d'interaction, rend le d-.spositif fragile, sensible aux chocs thermiques et donc peu fiable lorsque la région d'interaction devient un peu longue. te dispositif de convolution conforme à l'invention permet d'éviter ces inconvénients en meme temps que d'obtenir une fréquence de fonctionnement élevée. I1 est constitué par une plaquette de semiconducteur -du type pnp (ou équivalent) muni d'une part sur les zones extrêmes (de type p, ici) d'électrodes, constituant ainsi une diode du type baritt, polarisée au voisinage de sa tension de per çage et, d'autre part, de transducteurs électromécaniques, places aux extrémités d'une même face du dispositif.Deux signaux élastiques appliqués respectivement aux transducteurs sont transformés en ondes élastiques se propageant en sens Inverse à la surface du dispositif, interagissant de façon non alinéaire et, produisant une modulation du courant qui traverse la diode, fournissent ainsi un signal représentant le produit de convolution des signaux d'entrée, à une fréquen, ce porteuse double (2 F) de la fréquence porteuse (F) des signaux d'entrée. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et des dessins s'y rapportant, parmi-l-esquels : - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention - les figures 2, 3 et 4 sont des schémas explicatifs des champs, tensions et courants susceptibles d'exister dans ce dispositif. Sur ces differentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. te dispositif représenté figure 1 comporte une plaquette 1 de matériau semiconducteur, recouveru sur chacune de ses faces, en sa zone centrale, d'une électrode (2 et 3) et aux extrémités d'une des faces de deux transducteurs électromécaniques (4 et 5). te transducteur 4, pour créer des ondes élastiques à la surface d'un substrat (1) non piézoélectrique pu peu piézoélectrique, est réalisé d'une façon connue, c'est-à-dire par deux électrodes 41 et 42 en forme de peignes interdigités déposés sur une couche mince 43 de matériau piézoélectrique tel que-de l'oxyde de zinc ZnO, elle-mame déposée sur le substrat 1. te transducteur 5 est constitué de façon analogue par une couche mince 53 piézoélectrique déposée sur le substrat 1 et portant deux électrodes 51 et 52 en forme de peignes interdigités. t'électrode 3, qui est située sur la même face du substrat 1 que les transducteurs 4 et 5, est maintenue au potentiel de référence du circuit. L'électrode 2 qui est située sur l'autre face, est reliée à un circuit électrique assurant la polarisation du semiconducteur et le prélèvement d'un signal P résultant de l'interaction des zendes élastiques, décrite plus loin. te circuit de polarisation comporte une source 61 de tension continue, dont une borne fournit le potentiel de référence (la borne négative par exemple) et l'autre est reliée successivement à un circuit filtrant 60, une inductance 62 et l'électrode 2. te circuit 60 est destiné à arrêter les hautes fréquences et il est constitué par exemple comme représenté sur la figure, c'est-à-dire par une inductance dont les bornes sont en outre reliées à la masse par l'intermédiaire de condensateurs. te circuit fournissant le signal P prélève la composante à la fréquence 2 F du potentiel de l'électrode 2. A cet effet, il est constitué par exemple d'une inductance 63 couplée à l'inductance 62, reliée en serie à un condensateur 64 de capacité variable puis à une résistance 65 aux bornes de laquelle est prélevé le signal P, l'inductance 63 et la résistance 65 étant reliées à la masse. La plaquette de semiconducteur 1 comporte au moins trois zones 11, 12 et 13, la zone centrale 12 étant d'un type de conductivité opposé à celui des zones extérieures (11 et 13), ctest-à-dire une structure PNP ou NPN. Elle peut être réalisée par exemple à l'aide de silicium de type P, dopé N + dans les zones extérieures 11 et 13. A titre d'exemple la zone P, dopée à environ 10 atomes par cm , a une épaisseur de 60 et les zones 11 et 13, dopées N+, ont une épaisseur de 0,2 p. Eile peut encore être réalisée en arséniure de gallium (AsGa) de type P sur lequel deux couches additionnelles N+ peuvent être obtenues par épitaxie. Enfin, la plaquette 1 peut être constituée de quatre zones, la zone supplémentaire (centrale) étant d'épaisseur importante et très faiblement dopée par rapport aux autres. L'avantage de cette-structure est de permettre de minimiser la différence de potentiel appliquée au dispositif, et 'éviter qu'un claquage en avalanche ne se produise au niveau de la jonction 21 (sur la figure 2) pour une tension inférieure à la tension de perçage. Si les zones 11, 12 et 13 sont du silicium respectivement dopé il, P et N , la zone suplnmentaire entre 12 et 13 par exemple peut-Stre iopée r ou N. Cette structure à quatre zones peut encore être réalisée en arséniure de gallium non dopé sur lequel les trous couches dopées sont déposées par épitaxie. Bien entendu, les structures complémentaires sont égaleue.Jt pos sibles : P+ N P+, P+ N N- P+ ou P+ N P P+. La plaquette 1 et ses électrodes ainsi réalisées constituent une diode dite à injection ionique et temps de transit, connue sous les initiales "baritt" de l'expression anglo-saxonne correspondante ("barrier injection transit time"). Son fonctionnement est rappelé ci-dessous à l'aide de figures 2, 3 et 4. Sur la figure 2, on a représenté une diode baritt fZNP dont les zones extrêmes sont reliées à une source de tension V variable, de telle sorte que la jonction PN de gauche (20) sur le dessin se trouve polarisée en sens direct et la jonction NP de droite (21) en inverse. La figure 3 représente le champ électrique dans la diode pour différentes valeurs de la tension V à ses bornes. te diagramme (a) représente le champ électrique pour une tension V nulle. Lorsque la tension V est augmentée, le profil du champ reste le même au niveau de la jonction 20 et augmente au niveau de la jonction 21, polarisée en inverse, jusqu'à ce que les deux cour- bes qui représentent la forme du champ pour chacune des jonctions se rejoignent (figure 3. b). Cette situation se présente lorsque la tension V est égale à une tension dite de perçage, pour laquelle la zone désertée par les porteurs majoritaires de la région N au niveau de la jonction 21 s'étend jusqu'à la jonction 20. On a représenté sur la figure 3b en traits mixtes la forme du champ losque la tension V augmente au delà de la tension de perçage la barrière de la jonction 20 se trouve abaissée et le courant croît brutalement, ce qui correspond en fait à une injection de porteurs positifs. La figure 4 rappelle la forme des courants existant dans le cir- cuit lorsque, la diode étant polarisée en continu au voisinage de tens on de perçage ou au-dessus, on lui applioue un potentiel SinL soSdal ligure 4 a), modulant la hauteur de la barrière eorrespon- dant à la jonction 20. La courbe (b) représente le courant d'injection Ii, qui est une impulsion de grande amplitude, en phase avec le potentiel V. La courbe (c) montre la forme du courant I dans le cir c cuit ; il doit avoir une durée telle qu'il s'annule sensiblement avec la fin de la période (T) du signal V, ce qui détermine le temps de transit des porteurs de charge dans la diode, c'est-à-dire la longueur de cette dernière. On voit que ce courant est à peu près en opposition de phase avec le potentiel V, d'où une résistance dynamique négative pour le dispositif et un phénomène.d'amplication. Si on revient au dispositif selon l'invention tel que décrit figure 1, on sait que lorsque deux ondes élastiques, correspondant chacune à un signal électrique (S1 et S2) de fréquence y et émises respectivement par les transducteurs 4 et 5, interagissent non linéairement, on obtient notamment un signal (P) de fréquence 2 F qui est la fonction de convolution des enveloppes des deux signaux SI et Dans un semiconducteur, une déformation élastique se traduit, dans le diagramme des niveaux d'énergie, par une variation de la largeur de la bande interdite et par suite, ainsi que le montre le calcul, par une variation du courant injecté dans le cas présent. Lorsque le semiconducteur est de plus piézoé'ectrique (cas de l'arséniure de gallium), il se superpose au phénomène précédent de modulation de bande interdite, une modulation directe de la barrière due au potentiel piézoélectrique accompagnant la déformation mécanique, ce dernier phénomène étant d'ailleurs prédominant. En d'autres termes, et dans les deux cas, à une onde élastique à la surface d'un substrat tel que 1, on peut associer une ten- sion électrique aux bornes de la région d'injection, tension oui vient donc moduler la hauteur de la barrière et par suite selon les processus décrit figure 4, le courant traversant la diode. On recueille ainsi aux bornes des électrodes 2 et 3 le signAl de convolution P. il est à noter que le courant > -onstituant le signal P est ainsi qu'il est rappelé ci-dessus, à la fréquence 2 F : en conséquence, l'épaisseur optimum de la diode baritt utilisée dans le dispositif de l'invention est la moitié dre celle qui serait déterminée à partir de la figure 4 c. -Un important avantage de ce dispositif est sa forte non lintarité. En effet, le courant d'injection I. illustré figure 4 b est proportionnel à exp {40. V sin @t} où V représente l'amplitude de la tension aux bornes de la diode ; on définit habituellement un facteur blinéaire F par la relation P3 = F. P1 . P2 où P1 et P2 sont les puissances -d'entrée - des signaux Si et S2 et r3 est la puissance - de sortie - du signal produit P. A titre d'exemple, si la plaquette 1 est réalisée en silicium le facteur F peut-être de l'ordre d'une trentaine de décibels. Un autre avantage de ce dispositif est la fréquence de fonctionnement élevée qu'il autorise, du fait de la résistance négative qu'il présente à ces fréquences. R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif de convolution de deux signaux, à ondes élastiques de surface, caractérisé par le fait qu'il comporte - une plaquette d'un matériau semiconducteur, lui-meme comportant -au moins une zone centrale d'un premier type de conductivité disposée entre deux zones externes d'un deuxième type de conductivité ;; - deux électrodes disposées respectivement sur les deux dites zones d'un deuxième type de conductivité, entre lesquelles est appliquée une différence de potentiel dite de polarisation, voisine de la tension de perçage dudit semiconducteur - des moyens fournissant deux ondes élastiques se propageant à la surface de ladite plaquette, correspondant respectivement aux dits deux signaux, ces movens étant placés de sorte que, lesdites ondes élastiques produites nteragisant, elles créent un potentiel modulant ladite différence de potentiel de polarisation et par suite le courant traversant ladite plaquette, ledit courant étant recueilli aux bornes des électrodes et constituant le signal de convolution des dits deux signaux. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens fournissant deux ondes élastiques sont constitués par deux transducteurs électromécaniques situés sur une même face de ladite plaquette, chacun des t-ftansducteurs étant constitué par deux électrodes en forme de peignes interdigités, déposés sur une couche mince de matériau piézoélectrique, cette couche étant elle-meme déposée sur ledit substrat. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit matériau semiconducteur est du silicium, ladite zone centrale étant faiblement dopée P et lesdites zones externes étant dopées Il+. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait aT > e ledit matériau semiconducteur est de l'arséniure de gallium, la fe zone centrale étant faiblement dopée P et lesdites zones externes étant dopées N+ et obtenues par épitaxie. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit matériau semiconducteur est du silicium, ladite zone centrale étant faiblement dopée N et lesdites zones externes étant dopées P+. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit matériau semiconducteur est de l'arséniure de gallium, ladite zone centrale étant faiblement dopée N et lesdites zones externes étant dopées P+ et obtenues par épitaxie. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite plaquette comporte une quatrième zone, de plus grande épaisseur que les précédentes, située entre ladite zone centrale d'un premier type de conductivité et l'une des zones externes d'un second type de conductivité, ladite quatrième zone étant soit du même type de conductivité que la zone centrale mais plus faiblement dopée, soit du même type de condutivité que les zones externes plus faiblement dopée. 8. Dispositif selon l'lune des revendications 4 ou 6 et la revendication 7, caractérisé par le fait que ladite quatrième zone est constituée par de l'arséniure de gallium. 9. Dispositif selon les revendications 3 et 7, caractérisé par le fait que ladite quatrième zone est dopée soit P soit N. 10. Dispositif selon les revendications 5 et 7, caractérisé par le fait que ladite quatrième zone est dopée soit N soit P.