Brevet FR2441924A1 — publié le 19800613

La présente invention concerne un dispositif sericon- ducteur a capacité variable, destiné plus particulièrement à la ultiplication de fréquence dans le dondaine des puissances éle tuées On sait que la barrière de potentiel qui, en l'absence de tension extérieure, s'établit dans une jonction sexiconduc- trice grâce à la présence d'ions négatifs du coté P et positifs du côté N, rend cette jonction coMparable à un condensateur. Il apparat en effet, au voisinage de la jonction, une zone dite de barrage dans laquelle la densité de charge des porteurs no- biles est devenue insuffisante pour neutraliser la densité de charge des atones donneurs et accepteurs ionisés.Cette zone du matériau seaiconducteur, qui est donc une région de charge d'espace où règne un champ électrique élevé expulsant les porteurs, joue le rôle du diélectrique du condensateur Coaae l'épaisseur de cette zone de barrage peut varier en fonction de la valeur (et de la polarité) d'une tension extérieure appliquée a la diode, la capacité C du condensateur varie aussi en fonction de cette tension, selon une relation de la forme C2V = constante (V étant ici la tension inverse appliquée à la diode Des dispositifs multiplicateurs de fréquence sont déjà réalisés a partir de ce principe en empilant plusieur diodes reliées électriqueaent en série Cet e-pile ent est effectué de façon discrète, chaque jonction se d conductrice étant séparée des jonctions voisines par une couche d'oxyde de béryllium destinée a assurer l'évacuation ther-ique. De tels dispositifs présentent cependant une résistance électrique des diodes en série assez élevée et sont actuellenent réalisés en aatériaux présentant une résistance thermique intrinsèque notable, et leur rendement ne s'avère donc pas très satisfaisant. Un dispositif semiconducteur à capacité variable est également décrit dans le brevet américan N 2 884 607 (déposé le 18 Avril 1958 au non de la Société Bell Telephone Laboratories et délivré le 28 Avril 1959). Ce dispositif est une diode constituée d'un cristal de silicium contenant n régions de conductivité de type N et P alternativement qui constituent (n-s) jonctions semiconductrices. in donnant à cette diode une concentration en i-puretés en dents de scie, à gradient de variation alternativement élevé ou faible selon le signe de celui-ci, les jonctions PN d'une part et NP d'autre part se comportent de ma- nitre différente, ce qui crée la variation de capacité de la diode selon la tension qui lui est appliquée.Cette diode trouve son application dans les systênes nicroondes # le passage du courant microonde perpendiculairement aux plans des jonctions est une fonction de la capacité de la diode. Un tel dispositif se.iconducteur pose cependant de sérieux problèmes es de fabrication : l'élaboration du profil gradué en dents de scie du dopage en impUretés est très difficile a obtenir. Par ailleurs, la structure proposée dans ce brevet risque de faire apparattre un effet transistor parasite. Le but de l'invention est de proposer un dispositif sesiconducteur à capacité variable de conception et de réalisa- tion simples et dans lequel l'absence d'effets parasites et l'a mélioratíon des caractéristiques thermique- et électriques permettent notamment la réalisation d'un circuit multiplicateur de fréquence pouvant fonctionner dans le domaine des puissances élevées avec un très bon rendement. L'invention concerne à cet effet un dispositif série conducteur à capacité variable constitué d'une succession de diodes à jonction reliées électriqueient en série, caractérisé en ce que ces diodessont formées par la aise en présence de couches de conductivité alternativerent de type P+ et N+, chaque diode étant en outre séparée des diodes adjacentes par une couche de conductivité de type N et l'ensemble de ces diodes étant obtenu par croissance.Cette croissance peut être effectuée do diverses ianiêres # croissance épitaxiale en phase vapeur ou liquide, par composés organométalliques, par jets moléculaires, par implantation ionique pour une structure planer dans un a- tériau semi-isolant, et est réalisée de préférence sur un cristal d'arséniure de galliua. Ce dispositif possède de bonnes caractéristiques ther niques rendant soins utile la présence d'un natérisu d'étacua- tion de la chaleur. En effet, la diminution de capacité obtenue grace à la structure expiée des couches permet d'accrottre la largeur du dispositif et, ainsi, d'assurer une évacuation thernique efficace.Par ailleurs, le choix de l'arséniure de gallium et de la fabrication par croissance assure de notables avantages résistance électrique série assez faible, absence de phénomène parasite de diffusion, meilleure uniformité des diodes. Enfin, la présente des couches de conductivité de type N interdit l'apparition d'un effet transistor pouvant se manifester en leur absence en raison de la structure P+N+P+N+ ... du dispositif. Une application avantageuse de ce dispositif est la réalisation d'un circuit multiplicateur de fréquence dans le domaine des puissances élevées, caractérisé en ce qu'il comprend, en parallèle sur le circuit primaire d'un transformateur, un dispositif conforme à l'invention pour obtenir dans le circuit secondaire, à partir d'un courant alternatif parcourant le circuit primaire avec une première fréquence déterminée, un courant d'une deuxième fréquence supérieure à la pre mière et définie par la fréquence d'accord du circuit LC constitué au primaire. L'invention est maintenant décrite ci-dessous de façon plus détaillée et en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 et 2 montrent un mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; et - la figure 3 montre un circuit multiplicateur de fréquence dans lequel est inclus le dispositif selon l'invention. Le dispositif semiconducteur représenté sur la figure 1 et, en vue partielle agrandie, sur la figure 2 comprend un empilement de diodes à jonction à capacité variable, ou "varactors", réalisé ici par croissance épitaxiale à partir d'un cristal d'ar sciure de gallium. Les diodes, reliées en série, sont constituées de paires de couches (1, 2), (4, 5), (7, 8) ... (3n - 2, 3n - i) de conductivité alternativement de type P+ et N empilées entre le dissipateur thermique 111 et le substrat 112 qui a servi pour la fabrication du dispositif par croissance ; pour obtenir une meilleure évacuation thermique, c'est une couche P+ (ici la couche 1) qui est directement contre le dissipateur thermique Entre les paires de couches (t, 2), (4, 5), (7, 8 > (3n - 2, 3n - 1) sont prévues des couches 3, 6, 9, , 3n - 3, de conductivité de type N destinées à éviter l'apparition de l'effet transistor qui a tendance à se manifester dans le cas d'une structure P+N+P+N+ N P N P N Le dispositif ici décrit a lonc une structure répétitive P N N P N N P N N, etc .... Le choix de l'arsniure de gallium comme cristal de croissance assure a cette structure de diodes en série une résistance électrique faible. Par ailleurs, le montage adopté (par empilement des diodes) diminue la capacité globale du dispositif, ce qui permet d'en augmenter la largeur et, ainsi, d'assurer une bonne évacuation thermique de la chaleur dissipée dans ce dispositif. La figure 3 montre un circuit multiplicateur de fréquence pour puissances élevées, dans lequel est incorporé un dispositif semiconducteur à capacité variable conforme à l'invention. Ce dispositif, référencé 131, est en parallèle sur l'enroulement primaire 132 d'un transformateur. A partir d'un courant alternatif parcourant le circuit primaire avec une pre mitre fréquence déterminée F1, on obtient dans le circuit secondaire fermé sur une charge 133 un courant dont la fréquence F2 est fixée à une valeur supérieure à celle du courant primaire par un choix approprié de la fréquence d'accord FA du circuit LC constitué au primaire. Cette fréquence d'accord est donné par la relation FA = F2 = 1/2##LC. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples particuliers de réalisation qui viennent d'strie décrits et représentés et à partir desquels on pourra prévoir des variantes sana pour cela sortir du cadre de l'invention REVENDICATIONS : 1 Dispositif semiconducteur à capacité variable constitué d'une succession de diodes à jonction reliées électriquement en série, caractérisé en ce que ces diodes sont formées par la mise en présence de couches de conductivité alternativement de type P+ et N+, chaque diode étant en outre séparée des diodes adjacentes par une couche de condutivité de type N et l'ensemble de ces diodes étant obtenu par croissance. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la croissance est réalisée sur un cristal d'arséniure de gallium. 3. Circuit multiplicateur de fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend, en parallèle sur le circuit primaire d'un transformateur, un dispositif conforme à l'une des revendications et 2 pour obtenir dans le circuit secondaire, à partir d'un courant alternatif parcourant le circuit primaire avec une première fréquence déterminée, un courant d'une deuxième fréquence superieure à la première et définie par la fréquence d'accord du circuit LC constitué au primaire.