Brevet FR2308207A1 — publié le 19761112

L'invention concerne un élément semi-conducteur, en particulier une diode semi-conductrice dont la caractéristique de conduction est améliorée, 'destinée d titre utilisée comme redresseur d semi-conducteur ou radioémetteur i semi-conducteur, et sianalisateur radio-émetteur b semi-conducteur, On sait que dans une Jonction pn, il existe en raison d'une diffusion des lacunes du champ p dans le champ n, et des électrons du champ n dans le champ p, en équilibre, une tension de diffusion Dans cette équation, k représente la constante de Boltzmann, T, la température, q la charge élémentaire, ND la concentration en donateur sur le côté n, et ni la concentration propre de transmission du semi- conducteur. Cette tension de diffusion VD est polarisée de telle façon que les courants de champ qu'elle provoque agissent en sens contraire des courants de diffusion (plus, dans le champ n, et moins, dans le champ p). Quand il s'applique une tension extérieure U, qui est polarisée en sens inverse de l1affaiblissement des courants de diffusion est diminuée, il apparat un sens de conduction, Si la polarisation est dans le même sens que VD, la tension extérieure accentue la diminution des courants de diffusion, il apparats alors un sens de non-conductlon. Dans le cas le plus simple, qui suffit pour la description de ltinvention, la caractéristique de tension déterminée par les courants de diffusion peut titre représentée par la formule : js représentant la densité du courant de saturation, qui dépend seulement des propriétés du semi-conducteur, et non de U. Plus grande sera la largeur de la zone interdite du semi-conducteur plus petits seront Js et ni. Un ni petit signifie toutefois une grande tension de diffusion VD. fl en ressort que la ca- ractéristique de perméabilité des jonctions pn, dans les semi conducteurs où la zone interdite a une largeur importante, n'atteint les mêmes valeurs d'intensité de courant, quand les tensions de flux sont élevées, que dans les semi-conducteurs où la zone interdite a une faible largeur.La tension dite de seuil où il se produit des densités de courant remarquables sur une jonction pn polarisée dans le sens de la conduction, sera donc déterminée essentiellement par le type de la ma trière utilisée pour le semi-conducteur. On sait que les redresseurs à semi-conducteur, dont l'action repose sur l'établissement d'une jonction pn, ou les diodes radio- émettrices et les signalisateurs radio-émetteurs à semi-conducteur, qui nécessitent la jonction pn pour l'action d'injection de luminescence, nécessitent des tensions, ou possèdent des tensions de seuil, dans la direction de conduction vers l'utilisation, qui peuvent titre déterminées par le type de matière semi-conductrice, et qui ne sont pratiquement que peu influencées par le choix de la concentration en dopage NA et ND. Dans les redresseurs à semiconducteur où l'effet de redressement est provoqué non pas par une jonction pn, mais au contraire par une jonction métal-semi- conducteur, on sait que Il'on peut obtenir une amélioration de la caractéristique de perméabilité, donc une élévation du courant direct, quand la tension directe est faible, au moyen d'un choix favorable des combinaisons de matières, par exemple du type de métal, et par des étapes appropriées dans l'établissement de la jonction métal-semi-conducteur. L'inconvénient des éléments semi-conducteurs à jonction pn, en particulier des diodes et des signalisateurs radio-émetteurs réside en ce qu'ils possè- dent des tensions de conduction relativement élevées, et que l'on doit s'accomoder de la perte d'énergie que représente la chute de tension nécessaire pour leur fonctionnement dans le sens de conduction. L'abaissement de ces pertes d'énergie signifie toutefois un élargissement des possibilités de mise en oeuvre des diodes et signalisateurs radio-émetteurs dans des instruments où les beoins en énergie doivent être couverts par des batteries, par exemple dans les horloges, les calculatrices de poche, entre autres, et signifie en même temps une augmentation du taux extérieur de rendement. L'invention a pour objet de réaliser un élément semi-conducteur où la tension de conduction et la perte d'énergie sont fortement diminuées, destiné à être utilisé en particulier comme signalisateur radio-émetteur dans des bracelets-montres qui doivent Outre actionnés par des piles à cellule unique. L'invention se propose d'amél liorer la caractéristique de perméabilité d'éléments semiconducteurs, en particulier de diodes semi-conductrices émettant de la lumière et de redresseurs å semi-conducteur en disposant convenablement dans l'espace les zones de charge å la Jonction pn. A cet effet, l'invention propose un élément semi-conducteur où, glace å la disposition dans l'espace des zones de charge à la jonction pn, dans le corps semi-conducteur, la tension initiale de diffusion VD de la Jonction pn n'agisse pas en sens contraire de la tension appliquée de l'extérieur sur l'élément semi-conducteur dans la direction de conduction, mais réalise au contraire sur l'élément semi-conducteur lui-mdme, une compensation- de la tension initiale de diffusion VD. On arrive ainsi à obtenir une élévation plus rapide au courant de conduction au-deseus de la tension de conduction que ce n'est le cas sur une Jonc- tion pn simple. Suivant l'invention, on obtient cette disposition dans l'espace appropriée des zones de charges, à la Jonction pn, au moyen de structures n p n, ou p n p. Les Jonctions n p ou p+n+ fortement dopées sont mises en direction de non-conduction quand ces structures sont soumises å une charge dans le sens de conduction (pour des structures n p n, plus sur n+, moins sur n ; pour des structures p+nb , moins sur p+, plus sur p). La tension de difftision des Jonctions fortement dopées est dirigée, dans les structures, en sens contraire de la tension de diffusion des Jonctions p+n ou n+p qui sty raccordent dans ltespace. bans le mode de réalisation de l'invention, les jonctions n p et p n fortement dopées sont établies de façon que, si ces jonctions fonctionnent dans le sens de non-conduction, donc si l'ensemble de la structure n p n ou p n p fonctionne dans le sens de conduction, le courant de blocage des jonctions fortement dopées est essentiellement un courant tunnel. Les Jonctions fortement dopées agissent ainsi comme les diodes tunnel que l'on connait. La tension de blocage de la structure est déterminée par les Jonctions p n ou n+p qui se raccordent aux Jonctions fortement dopées. L'amélioration de la caracté ristique de conduction est obtenue du fait que le courant tunnel des jonctions fortement dopées produit des porteurs majo ritaires supplémentaires dans le champ moyen, par exemple le champ p+ de la structure n p n, ou le champ n de la structure p n p. Dans les Jonctions pn connues sans zone fortement dopée supplémentaire, par exemple les jonctions p+n ou n p, ou pIn, ils'établit, lors de la sollication par le flux, un état tel que la tension de diffusion est diminuée par le décal#e dane l'espace de la répartition des électrons et des lacunes, en raison du flux de courant, en fonction de l'importance de la tension appliquée de l'extérieur si l'on néglige les autres pertes de tension. I#ns les structures suivant l'invention, grâce à l'injection des porteurs majoritaires dans le champ moyen, la totalité de la tension de diffusion tombant sur la structure, et par suite la tension de diffusion arrlv~nt sur les Jonctions psn ou n p est diminuéé supplémentairement palus l'effet de charge spatiale de ces porteurs majoritaires ainsi injectés.Cet effet peut se "cumuler". Une petite injection de portes majoritaires provoque d'abord un faible abaissement de la tension de diffusion sur la structure, mais celles-ci de son côté signifie, quand la tension extérieure est maintenue constante, une nouvelle élévation du courant, ce qui entrain. une injection supplémentaire de porteurs majoritaires, et ainsi de suite. I1 s'établit finalement un état où la chute de tension sur la structure est déterminée essentiellement par la seule chute de tension sur la jonction fortement dopée p+n+ou t pl et la zone de charge spatiale subsistante, dans le champ p ou n, ainsi que par les pertes sur les résistances des bandes. Si l'on veille aux polarités réciproques de ces tensions, on obtient pour la totalité de la structure n p n, ou p n p, suivant l'invention, quand elle est soumise au flux, une tension de seuil plus faible que pour les jonctions p+n ou n p simples. Il y a avantage å établir l'élément semi-conducteur suivant l'invention au moyen d'une implantation d'ions. I1 est en particulier avantageux de produire les couches fortement dopées qui améliorent la caracté- ristique de conduction, pour une jonction p+n, une couche n+ avant la zone p+ pour une Jonction n+p, une couche p+ avant la zone +, par implantation d'ions.Ce procédé permet la production de Jonctions fortement dopées ayant les dimensions spatiales restreintes nécessaires pour l'effet tunnel. L'im- plantation d'ions permet aussi d'établir la couche fortement dopée supplémentaire la plus mince possible, ce qui est important par exemple pour les diodes radio-émettrices pour éviter des pertes supplémentaires du rayonnement produit sur la Jonction p+n ou n+p que causerait l'absorption dans cette couche. Les avantages de l'élément semi-conducteur suivant l'invention résident dans la diminu- tion de la tension de conduction et dans l'abaissement des pertes d 'énergie qui se produisent au cours du fonctionnement des diodes semi-conductrices telles que les redresseurs b semi-conducteur et les radio-émetteurs à semi-conducteur. on obtient ainsi, en particulier pour un radio-émetteur à semiconducteur, une élévation du rendement extérieur. En môme temps, on obtient une augmentation de la stabilité de cet élément de construction, car la surcharge thermique est également diminuée par la dimi- nution des pertes d'énergie. Gracie à la faiblesse des tensions de conduction, le champ d'utilisation de ces éléments semiconducteurs est élargi, par exemple, il devient possible d'utiliser des radio-émetteurs à semi-conducteur dans des montres-bracelets. 'l'invention sera mieux comprise trace à la description ci-après, et aux dessins annexés, qui représentent un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels 2 - la figure 1 est une représentation schématique de l'élément semi-conducteur suivant l'invent ion, - la figure 2 est une représentation schématique de la répartition dans l'espace de la concentration du dopage dans l'élément semi-conducteur, - la figure 3 est une représen tation schématique du tracé dans l'espace du schéma des bandes de l'élément semi-conducteur. On a choisi pour l'exemple de réalisation, une structure n p n. La coordonnée x (figure 1) désigne la distance verticale par rapport à la surface du corps semi-conducteur dans le volume de ce corps. La surface se trouve à x = O. L'établissement de la structure n+p+n suivant la figure 1, ayant une répartition dans l'espace de la concentration du dopage correspondant à la figure 2, s'effectue par implantation d'ions d'accepteurs, une concentration en accepteur NA Jusqu'à la profondeur x2 étant produite dans un semi-conducteur ayant une concentration en donateur KD2. Ensuite on produit à nouveau par implantation d'ions de donateurs dans cette couche, une concentration sup plémentaire de donateur Jusqu'à la profondeur Irl. Les concentrations N et NA, ainsi que l'extension spatiale de la Jonction en en 1 sont ici choisies telles que, se 'ap- plique une tension de conduction U sur la structure n+p+n (pôle plus en n+, pôle moins en n), cette Jonction n p fonc- tionne comme une diode tunnel, le courant provoqué par U dans cette Jonction n p est ainsi essentiellement un courant tunnel InT. Les concentrations ND1 et FA, ainsi que l'extension spatiale de la Jonction n p seront choisies, de la façon connue, comme dans les diodes tunnel.La figure 3, où l'on a représenté schématiquement le tracé spatial des bandes donc l'énergie des électrons E sur la profondeur x,montre le mode de fonctionnement de la structure n p n avec une polarisation de conduction. La structure n+p+n dans son ensemble possède une tension de diffusion résultante VI, qui est égale à la différence de la tension de diffusion VD de la jonction p+n et de la tension de diffusion v de la Jonction n+n+. Comme la jonction n+p+ fonctionne comme une diode tunnel, il passe déjà, quand la tension appliquée U atteint de faibles valeurs, un important courant de blocage de la Jonction n p , qui est pour l'essentiel ununcourant tunnel InT. 1n#0 La éoncentration en lacunes supplémentaires qui se produit en raison de ce courant dans le champ p+ compense, par son effet de charge spatiale, partiellement, la tension de diffusion pendant que l'on peut tirer parti de l'effet de "cumul" ren forçant, dont a déjà parlé. La totalité du courant de conduction par le dispositif n p n est égale à InT.Il sera entretenu dans le champ p+ et dans le champ n, sous la forme de courant de diffusion des lacunes et des électrons, en raison des conditions de mobilité dans la plupart des types de semi-conducteurs, toutefois sous la forme de courant de diffusion d'électrons InD. (La recombinaison avec les lacumes dans le champ p est représentée schématiquement dans la figure 3 par compensateur des concentrations en lacunes, produites dans le champ p+ sur la tension de diffusion VD conduit, dans l'ensem ble, à l'intérieur des effets antagonistes des tensions aux Jonctions n+p+ et p+n, å une amélioration de la caractéristi- que de conduction. L'extension spatiale des champs n, p+ et n+ est si grande que la fondation des zones de charge spatiale de la Jonction n+p+ et de la Jonction p+n devient possible. D'autres exigences se feront jour d'après les cas d'utilisation particuliers ; dans les diodes radioémettrices par exemple, , et donc l'extension du champ doit titre Je plus petit possible, pour éviter dans la plus large mesure possible des pertes supplémentaires de l'émission rayonnée par absorption, et l'extension du champ p+, donc x2-x1 doit Outre assez grande pour que puisse s'effectuer, d l'intérieur du champ p+, une recombinaison la plus totale possible des électrons du courant de diffusion InD avec les lacunes. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à 1' exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté , à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 10) élément semi-conducteur, en particulier diode semi-conductrice à caractéristique de conduction améliorée, destinée à être utilisée comme redreeseur à semi-conducteur ou radio-émetteur à semi-conducteur, élément caractérisé en ce qu'il comporte une structure n+p+n, ou une structure p+n+p. 20) Elément semi-conducteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la structure n p n ou p n p, le courant passant par la Jonction fortement dopée n+p+ ou p +n+ est essentiellement un courant tunnel quand cette jonction est soumise à un blocage, donc quand la structure est soumise à un flux. 30) Elément semi-conducteur suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on établit au moins une des couches à dopages différents par implantation d'ions.