Brevet FR2472269A1 — publié le 19810626

L'invention concerne un limiteur de puissance haute-fréquence à semiconducteur, comprenant deux diodes de type planaire, réalisées sur une même couche de maté- riau semiconducteur et montées à proximité et tête-bêche. L'invention a trait au domaine des dispositifs électroni- ques et trouve son application par exemple pour la protec- tion de l'étage d'entrée des récepteurs, typiquement dans les récepteurs radars o des impulsions de grande puis- sance peuvent endommager le transistor d'entrée. Les limiteurs de puissance sont bien connus de l'art antérieur, et comptent ainsi, parmi de nombreuses réalisations, des limiteurs à tube de gaz et des limiteurs magnétiques. Ceux-ci sont lourds et encombrants, alors que ceux-là sont encombrants mais surtout présentent un temps de retard à l'amorçage trop important. Les limiteurs à semiconducteur offrent l'avan- tage d'une certaine miniaturisation, et comptent plusieurs types de réalisation. Ainsi, des limiteurs à diodes PIN présentent des pertes relativement importantes qui affec- tent le bruit du récepteur. Il est préférable, pour éviter cet inconvénient, d'utiliser des diodes à jonction p/n, ou des diodes Schottky associées selon une certaine con- figuration. -2 - De la revue Electronique Applications, N0 7, pages 93-96, il est connu de réaliser un limiteur en uti- lisant deux diodes Zener montées tête-bêche, et de connec- ter ledit limiteur en parallèle sur l'entrée d'un récep- teur. Cet assemblage présente cependant quelques inconvé- nients, notamment en ce qu'il introduit des pertes à l'en- trée dudit récepteur, du fait qu'il est conçu de manière à pouvoir supporter une certaine puissance. L'invention vise à pallier les inconvénients sus- exposés, en permettant la réalisation d'un limiteur de taille réduite, qui n'introduit pas de pertes trop impor- tantes. L'invention est remarquable en ce que la couche de matériau semiconducteur, dans laquelle sont réalisées les deux diodes de type planaire, est d'épaisseur relativement mince, alors que l'ensemble est réalisé sur un substrat isolant. La description qui va suivre, en regard des des- sins annexés permettra de mieux comprendre comment l'in- vention se réalise et fonctionne. - la figure 1 représente un limiteur, selon la présente invention, en une vue en coupe. - la figure 2 représente une variante d'un limi- teur, selon l'invention, en une vue de dessus. - la figure 3 représente le montage d'un tel li- miteur, dans un circuit. - la figure 4 représente une variante de montage. - la figure 5 est une courbe représentative de la variation C = f (V), de la capacité en fonction de la tension appliquée aux bornes dudit limiteur. Conformément à la présente invention, le limi- teur se présente sous la forme de deux diodes de type pla- naire, réalisées dans une même couchece matériau semicon- ducteur 2, relativement mince, cette couche 2 reposant sur un substrat isolant 1. Un matériau semiconducteur adé- quat pour la réalisation d'un tel dispositif est par exem- ple l'arséniure de gallium. Ce matériau présente en effet -3- des avantages du point de vue des caractéristiques élec- triques (tension de claquage importante), et électroni- ques (mobilité élevée des porteurs de charges), et du point de vue élaboration (existence d'un matériau massif semi-isolant). La réalisation des diodes s'obtient par croissance sur un substrat isolant ou semiisolant par exemple en arséniure de gallium dopé chrome, d'une pre- mière couche de GaAs, par exemple de type N, référencée 2, et de deux portions de couche, référencées 3, qui peu- vent être, soit en arséniure de gallium d'un type de con- ductivité opposé, dans ce cas de type p, en vue de la réa- lisation de diodes à jonction, soit métallique par exem- ple en aluminium, en vue de la réalisation de diodes Schottky. Il est à noter que le substrat isolant peut être éventuellement remplacé par un matériau dopé mais déserté artificiellement par une jonction P-N ou Schottky située par exemple sur la face arrière du dispositif. Leurs procédés de réalisation ne seront pas décrits plus en détail ici, comme ne faisant pas partie à proprement dit de l'invention, alors qu'ils ne présentent pas de difficultés particulières pour l'homme de l'art. Selon une variante de la présente invention, telle que représentée en une vue de dessus à la figure 2, les diodes ont été réalisées d'une manière interdigitée, de façon à augmenter-leurs surfaces et à diminuer d'au- tant la résistance parasite les séparant. Selon cette variante, sur un substrat isolant 1', (par exemple en GaAs), on élabore une première couche de matériau semi- conducteur 2' (par exemple, de GaAs de type n), en sa partie médiane, puis une seconde couche 3' (métallique ou de type de conductivité opposé) sous la forme de deux zones interdigitées au niveau de la première couche mé- diane 2'. Les fils de connexion d'entrée et de sortie sont représentés à titre d'exemple. Le montage d'un tel limiteur dans un circuit s'effectue de la manière représentée à la figure 3. La -4- référence Q représente un quadripôle; le limiteur selon l'invention est placé en série sur une borne d'entrée dudit quadripôle, alors que l'autre borne d'entrée est reliée à la terre. Ce montage est connu en lui-même, par exemple du brevet des Etats-Unis 3 122 654, déposé le Mai 1958. Mais cette divulgation n'est pas opposable en ce sens que le limiteur décrit dans ce document n'est pas équivalent à celui faisant l'objet de la présente demande, car il n'utilise pas le procédé de limitation par désertion d'une couche semiconductrice, ainsi qu'il va être décrit ci-après. Du reste, une variante de montage dans un cir- cuit peut également être envisagée, telle que décrite en référence à la figure 4 et qui comporte en outre-en paral- lèle sur les bornes d'entrée du quadripôle deux diodes montées en sens inverse, cette variante offrant l'avanta-- ge de transférer la totalité du signal haute fréquence appliqué aux bornes du limiteur, au delà du coude de la caractéristique I = f(V) des diodes. Il est à noter ici que de tels montages peuvent être aisément intégrés sur un même élément semiconducteur; par exemple sous la forme d'un circuit intégré, car les technologies sont totalement compatibles et les épaisseurs de couche requises sont convenables à la mise en oeuvre des procédés de croissance connus. Ce circuit intégré peut comprendre également le transistor d'entrée, (à ef- fet de champ), de l'amplificateur situé en aval, lors- qu'il est prévu. La courbe C = f(V) telle que représentée à la figure 5 permettra de mieux comprendre comment fonction- ne le limiteur selon l'invention. En effet, le procédé de limitation, de la puissance hyperfréquence appliquée, n'est pas connu en soi, et ressort des caractéristiques géométriques-et électroniques propres au dispositif se- lon l'invention. D'une manière générale, le procédé de limitation s'effectue par désertion de la couche - 5 - semiconductrice (référencée 2 à la figure 1). En effet, à faible niveau de la puissance hyper- fréquence appliquée, chaque diode se comporte comme un condensateur de capacité C, et l'impédance présentée par le limiteur, constitué de deux diodes en série, est égale sensiblement à i 2j C C cette impédance est donc faible. Pour un niveau plus important de la puissance hyperfréquence appliquée, la tension négative qui s'ap- plique successivement à l'une et à l'autre des deux diodes montées têtebêche qui constituent ledit limiteur, s'élève jusqu'à ce que la couche semiconductrice 2, typiquement en GaAs de type de conductivité N, se vide totalement de porteurs majoritaires. Cette couche semiconductrice est alors totalement désertée, etne conduit plus le courant. L'énergie hyperfréquence n'est pas transmise au travers du limiteur, à l'entrée du récepteur quadripôle Q, mais et entièrement réfléchie. En effet, ainsi qu'il ressort de la figure 5, la capacité de chaque diode est relativement importante tant que la tension appliquée n'est pas trop élevée, alors quielle chute brutalement à partir d'une tension seuil Vp, et donc que l'impédance présentée par le limiteur aug- mente notablement. Pour une couche de dopage uniforme, cette ten- sion seuil Vp et l'épaisseur e de la couche semicon- ductrice sont reliées par la relation 2 ú.(V + Vd) e = q. Nd relation dans laquelle: - e désigne l'épaisseur de la couche semiconductrice. - t la constante diélectrique. - Vp la tension de désertion, ou tension de seuil. - 2472269 -6- - Vd la tension interne de la diode. - q la charge de l'électron. et Nd la concentration en donneurs. Dans le dispositif limiteur réalisé par la demanderesse, l'épaisseur de la couche était sensible- ment égale à 0,15 micron et la tension de désertion (ou tension seuil) atteignait 3 volts. Les pertes de ce limiteur doivent impérative- ment être faibles, car placées en série sur l'entrée du récepteur quadripôle Q,elles s'ajoutent au facteur de bruit dudit récepteur. Ces pertes sont dues notamment à la résistance du matériau séparant les deux jonctions. Le choix d'un matériau à haute mobilité et con- centration des porteurs de charges et d'une géométrie ap- propriée peut contribuer d'une certaine manière à réduire ladite résistance. Un autre impératif, non moins contraignant, est la tenue en tension du dispositif limiteur, qui doit pou- voir supporter des ondes hyperfréquences incidentes de puissance relativement élevée. Le choix d'un matériau semiconducteur à forte tension de claquage, à dopage pas trop élevé, et d'un écartement entre diodes suffisant, permet de respecter ledit impératif. Le matériau semiconducteur qui convient le mieux au respect de ces deux impératifs est l'arséniure de gal- lium de type N. Toutefois, le silicium peut convenir également. L'écartement entre les deux jonctions résultent d'un compromis entre une valeur élevée qui conduit à une tension de claquage importante, et une valeur faible qui conduit à des pertes réduites. Selon une réalisation ef- fectuée par la Demanderesse, cet écartement était voisin 4 /um, et c'est dans cette mesure que l'on peut dire que les deux diodes sont réalisées à proximité l'une de l'autre. Toutefois, la réalisation du limiteur d'une 7- manière interdigitée permet de réduire les pertes a écartement constant. Il est bien évident pour l'homme de l'art que toute variante, non essentiellement différente tant pour le choix du matériau semiconducteur, que pour les valeurs numériques ci-dessus précisées, entre dans le cadre de la présente invention, tel que défini par les revendications ci-annexées. REVENDICATIONS 1. Limiteur de puissance haute fréquence à semicon- ducteur, comprenant deux diodes de type planaire réalisées dans une *m8e couche (2) de matériau semiconducteur et mon- tées à proximité et tête-bêche, caractérisé en ce que ladite couche (2) de matériau semiconducteur est d'épaisseur rela- tivement mince, l'ensemble étant réalisé sur un substrat isolant (1) de telle manière que cette couche (2) soit tota- lement désertée, pour une puissance hyperfréquence élevée. 2. Limiteur de puissance haute fréquence à semicon- ducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit le matériau semiconducteur dans le groupe formé par l'arséniure de gallium et le silicium. 3. Limiteur de puissance haute fréquence à semicon- ducteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est réalisé de manière interdigitée. 4. Procédé de limitation d'une puissance haute fré- quence appliquée à un dispositif semiconducteur, caractérisé en ce que la limitation s'effectue par désertion d'une cou- che (2) de matériau semiconducteur, d'un limiteur selon l'une des revendications 1 à 3.