Brevet FR2319203A1 — publié le 19770218

L'inventior. concerre une structure semiconductrice particulière de diode à injection thermoioninue ainsi qu'un amplificateur et un oscillateur hyperfréquences utilisant ladite structure. On connaît des structures semiconductrices à deux pôles comportant une diode a injection thermoionique et utilisant le temps de trzit des porteur de charge, dans une partie de la structure ante "zone de transit pour permettre la créa tison d'une résistance "négative", donnant des possibilités d'amplification et de génération d'ondes électromagnétiques en hyperfréquence. Ces structures exigent, pour fonctionner sans pertes excessives, d'être soumises à un champ électrique suffisant pour observer le déplacement des porteurs de charge à une vitesse limite dite "saturée". On a cherché à obtenir des composants fonctionnant avec des champs électriques plus faibles et par conséquent des tensions continues d'alimentation plus petites, en utilisant des structures du type P+ N N- P+ et N+ P P- N+. Toutefois, meme avec de telles structures, lorsque le courant augmente la charge d'espace qui en résulte nécessite, pour maintenir de bonnes conditions de fonctionnement, une augmentation du champ électrique et par conséquent de la tension appliquée aux deux pôles extrêmes de la structure. L'invention permet de remédier à cet inconvénient. La structure selon l'invention est constituée par un même matériau semiconducteur dopé de manière à présenter deux couches extrêmes de dopage identiques N+ (ou P +) et deux couches intermédiaires de dopages différents P, N (ou N, P). Elle est caractérisée en ce que le dopage de la couche intermédiaire N, dans le cas de la structure N+P N N (ou P dans le cas de la structure P N P P+) est tel que la densité des charges dûes aux ions fixes soit égale à la densité des charges mobiles pour un courant prédéterminé provoqué par une tension continue appliquée entre les couches extremes dans un sens polarisant en inverse la jonction formée par les couches intermédiaires. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaitront, au moyen de la description qui suit et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels - la figure 1 représente en (a) une structure connue de diode à injection thermoionique et en (b) un diagramme de champ électrique sty rapportant ; - la figure 2 représente les mêmes éléments pour la structure selon l'invention. Dans l'exemple de structure N+ P P N représenté figure 1, on a dessiné en (a) une coupe transversale de la structure montrant les quatre couches. Les couches extrêmes N+ reçoivent des contacts ohmiques A et B pour l'application d'une tension continue d'alimentation, d'une part, et, d'autre part, constituent avec les couches intermédiaires P deux jonctions de sens opposés. Dans l'exemple choisi, c'est la jonction N+P, qui, étant polarisée en direct, constitue la jonction injectante de la diode à injection. Une carte théorique du champ électrique E a été dessinée en (b) avec des lignes de rappel marquant les frontières des couches de la structure, lignes aboutissant à des points remarquables du graphique. Le champ E est compté positivement dans le sens AB. On voit sur une telle carte de champ, classique dans la théorie des semiconducteurs, l'importance des épaisseurs des couches P et P dans la détermination de la valeur maximale du champ électrique (en valeur absolue). Cette valeur dépend notamment de la pente de la droite représentative dans chacune des couches. L'épaisseur totale des couches P et P est imposée par la nécessité d'avoir un temps de transit de 3 s/2 à une fréquence prédéterminée : elle est de l'ordre de 6 à 7 microns à la fréquence de 10 GHz. La pente de la droite 11 relative à la traversée de la couche P est très forte, et pratiquement indépendante de la valeur du courant de conduction. Il n'en est pas de même de la pente de la droite 22 (dessinée pour un faible courant de conduction) : en effet, on observe une droite 2a de pente nulle lorsqu'il n'y a pas de courant et une droite 23 de forte pente pour un courant fort (de l'ordre de l'ampere par millimçtre carré), Pans ce dernier cas, la tension d'alimentation est notablement plus grande. Dans l'exemple de structure selon l'invention, figure 2, on a représenté de même, en (a) une coupe transversale N+ P N N+, et en (b) la carte de champ électrique correspondant aux couches successives rencontrées en progressant suivant un axe 0. Les épaisseurs respectives de ces couches sont identiques S celles de la figure ac Cependant, Une couche N remplace la couche P de ltexemple précédent. La droite 51 de la carte de champ est de pente identique à celle de la droite 11 de la figure a, la couche P étant la remue et la tension appliquée entre les bornes de la structure étant identique En revanche, en raison de la différence de signe des charges rixes daes au dopage, dans la couche N, on a ici une droite 4a de forte pente pour un courant de conduction nul, et une droite 42 de pente plus faible pour un courant faible. On comprend aisément que pour une certaine circulation de charges mobiles, ç'est-S-dire pour un certain courant de conduction, on puisse obtenir une droite 43 parallele à l'axe des abscisses C'est ce qui est confirmé par un calcul élémentaire effectué en partant de l'équation de Poisson :: div # = p / E (a) ou E est le champ électrique, p la densité locale de charge électrique et F la permittivité diélectrique du milieu Pour la droite 43, de pente nulle, on doit avoir div # = 0 (2) Une condition suffisante de l'égalité (2) est réalisée si (3) Or, on sait que, dans un semiconducteur dopé par un nombre N de charges fixes (positives par suite de l'ionisation des atomes de "donneur") par cm3, et où le courant de conduction correspond à une charge locale de n électrons par cm3, on a p = N w n (i') D'autre part, pour un courant de densité J0 et de vitesse v, on a : J0 n: ev (5) où e représente la charge électrique de l'électron. Des égalités (4) et (5), sachant en outre que le dopage est par exemple de N = 1014 at/cm3, on déduit que la condition (3) est satisfaite pour une densité de courant de J0 = 1,6 A/mm2 A titre d'exemple, pour un courant de conduction de cette densité, on obtient un fonctionnement à 10 GHz avec une épaisseur de couche P de 0,6 microns, et une épaisseur de couche N de 6 microns, en appliquant une tension continue de 4 volts aux bornes de la structure. L'invention permet la fabrication d'amplificateurs et d'oscillateurs fonctionnant dans la gamme de 1 à 30 GHz et n'exigeant qu'une tension d'alimentation relativement basse par rapport aux appareils de l'art connu. REVENDICATIONS Structure semiconductrice particulière de diode à injection thermoionique, constituée par un même matériau semiconducteur dopé de manière à présenter deux couches extrêmes de dopages identiques N (ou P +) et deux couches intermédiaires de dopages différents P, N (ou N,P), caractérisée en ce que le dopage de la couche intermédiaire N (ou P) est tel que la densité des charges dûes aux ions fixes soit égale à la densité des charges mobiles pour un courant prédéterminé provoqué par une tension continue appliquée entre les couches extrêmes dans un sens polarisant en inverse la jonction formée par les couches intermédiaires. 2. Structure suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit matériau semiconducteur est constitué par du silicium. 3. Structure suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit matériau semiconducteur est constitué par de l'arséniure de gallium. 4. Amplificateur hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il utilise une structure suivant l'une des revendications 1 à 3. 5. Oscillateur hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il utilise une structure suivant l'une des revendications 1 à 3.