Brevet FR2484141A1 — publié le 19811211

La présente invention concerne un élement bi- polaire à conduction non linéaire. Elle concerne également les dispositifs à Com- mutation, notamment de visualisation, incorporant un tel élément. De tels dispositifs peuvent concerner par exemple l'adressage de panneaux d'affichage ou la lecture de panneaux de détection de grande dimension0 De tels panneaux, dont le fonctionnement est connu de l'homme de l'art, sont réalisés à l'aide de deux dalles de verre planes parallèles fixées l'une à l'autre de façon à ménager entre elles un espace qui est rempli de cristal liquide par exemple. Les élé- ments de commutation utilisés dans de tels dispositifs sont habituellement des transistors à effet de champ réalisés en couche minces. Les connexions de ces transistors aux dalles de verre ne sont pas sans problème par suite de l'exis- tence d'un réseau d'électrodes croisées sur l'une des faces. La présente invention se propose de supprimer cet inconvénient en remplaçant les transistors à effet de champ en couche mince par des composants du même type mais ne comportant que deux électrodes électriquement indépendantes au lieu de trois. Les problèmes de connexions des électrodes aux dalles de verre s'en trouvent de ce fait diminués. L'élément bipolaire selon l'invention est constitué d'un corps semiconducteur pris entre deux couches isolantes, de deux électrodes de source et de drain en contact de chaque côté avec le corps semiconducteur et d'une électrode de grille double consistant en une première partie conductrice appliquée sur l'une des couches isolantes, et reliée au drain, et en une seconde partie conductrice appli- quée sur l'autre couche isolante et reliée à la sour- ce, l'ensemble ainsi constitué étant posé sur un substrat isolant.sur lequel il repose par l'électrode de grille. L'élément bipolaire selon l'invention se dis- tingue du transistor à effet de champ connu dans l'art antérieur par le fait qu'il ne comporte que deux électrodes électriquement indépendantes, la source et le drain, la troisième électrode, la grille, étant séparée en deux parties respectivement reliées électriquement à la source et au drain. L'invention sera mieux comprise en se reportant a la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un schéma en coupe d'un tran- sistor à effet de champ de l'art antérieur; - la figure 2, un schéma en coupe d'un élément bipolaire selon l'invention; - la figure 3, la caractéristique I [V] de l'élément bipolaire selon l'invention; - la figure 4a, un diagramme schématique d'un panneau d'affichage matriciel à cristaux liquides utilisant des composants selon l'invention; - la figure 4b, un exemple de réalisation d'un panneau d'affichage matriciel à cristaux liquides utilisant des composants selon l'invention. La figure 1 représente un schéma en coupe d'un transistor à effet de champ classique connu de l'art antérieur. Un tel transistor comporte sur un substrat isolant 6 une couche semiconductrice 1 comprise entre deux électrodes: la source 2 et le drain 3. La troi- sième électrode, la grille, est isolée de la couche semiconductrice par une couche diélectrique 4. Cette grille est située soit au-dessous, soit au-dessus du semiconducteur soit encore partagée en deux parties situées respectivement au-dessus 51 et au-dessous 52>du semiconducteur2 comme c'est le cas de la figure 1, ces deux parties étant électriquement reliées. Le fonctionnement d'un tel transistor s'expli- que brièvement comme suit. Soient L, 1, d la longueur, la largeur et l'épaisseur du canal semiconducteur. La largeur 1, non représentée sur la figure, se mesure dans une direction perpendiculaire au plan de la figure. Soient G1, G2 respectivement les grilles infé- rieure et supérieure. Soient VGl' VG2 VD les tensions appliquées respectivement à G1, G2 et au drain relativement à la source. Soit V(x) le potentiel existant au point d'abscisse x du canal semiconducteur. Si n0 est la densité de porteurs de charges à l'équilibre dans le semiconducteur et C. la capa- cité par unité de surface de-l'une des couches iso- lantes, la densité de porteurs de charge au point d'abscisse x du semiconducteur est dans le cas d'un canal à conduction par électron n(x) = no + n(x) avec Ci +( i n(x)-W I.XJ Gi G2> On définit la tension de seuil par qdn0 VT c= Ci On obtient donc: [(v + V2 - VT - 2V(x)] n (x) = qa ' Gi+ G La conductivité au point d'abscisse x est donc: (x) = U [(VG1 + VG2 VT) - 2V(x)] est la mobilité des porteurs de charge. Le cou- I traversant le transistor est donc: I = ld (x)dV 1 = 1Ci (VG1 + VG2 - + L'intégration de cette exj et x = L donne: Ir = L- fC [(VG1 + VG2- Cette relation traduit le transistor en régime non saturé. - VG1 + VG2 - VT VT) - 2V(x)J dv(x) T 1 dx pression entre x = o VT) VD - VD2 fonctionnement du Lorsque: VD 2 - D (V-,t + VI- - V) 2 sat L Ci 4 La figure 2 représente le schéma en coupe d'un élément bipolaire selon l'invention. L'invention consiste à modifier la structure du transistor couche mince à double grille décrit dans la figure 1. Les deux grilles ne sont plus élec- triquement reliées entre elles, mais respectivement reliées l'une à la source et l'autre au drain. La grille supérieure 51 est ainsi au même potentiel que o r rant soit: la source 2. L'élément bipolaire selon l'invention est donc constitué d'un corps semiconducteur 1 inséré entre deux couches isolantes 4, de deux électrodes de sour- ce et de drain 2 et 3 et d'une électrode de grille double composée d'une partie 52 reliée électriquement à la source 2 et d'une partie 51 reliée électriquement au drain 3. Le corps semiconducteur 1 est constitué d'un des matériaux suivants: séléniure de cadmium Cd Se, sélénium Se, telure Te, sulfure de plomb Pb S, sili- cium Si ou silicium amorphe hydrogéné. Les couches isolantes 4 ont une épaisseur com- prise entre 50 nm et 500 nm. Les électrodes de source et de drain 2 et 3 sont réalisées avec des matériaux assurant un bon contact ohmique avec la couche semiconductrice 1 Ces matériaux sont choisis dans le groupe des métaux suivants:molybdène Mo, chrome Cr, or Au, indium In, cuivre Cu, argent Ag, cadmium Cd, ou un alliage de ces métaux. Les conditions de fonctionnement de l'élément bipolaire selon l'invention se traduisent par l'equa- tion:V o Gi VG2 VD Si l'on porte ces conditions dans les expres- sions du courant en régime normal et saturé calculées précédemment dans le cas du transistor à effet de champ de l'art antérieur décrit dans la figure 1, on en déduit les expressions du courant en régime nor- mal et saturé dans le cas de l'élément bipolaire selon l'invention. En régime normal I = L iCi (. VT VD) En régime saturé I = 1 Ci D Le cas particulièrement intéressant pour le composant selon l'invention est le cas o VT est po- sitif. Le régime non saturé est alors physiquement impossible car il correspondrait à une caractéristique a résistance négative. La caractéristique I CfVI de l'élément bipolaire selon l'invention est représentée sur la figure 3. La partie négative de cette caractéristique se déduit de la partie positive en raison de la symétrie de construction du composant de l'invention. La caractéristique fortement non linéaire de ce composant permet de l'utiliser comme élément de commutation. En particulier, à titre d'exemple non limitatif, il peut être utilisé dans un panneau d'affichage matriciel. Les figures 4a et 4b donnent un exemple de cette application. La figure 4a représente un diagramme schéma- tique d'un panneau d'affichage matriciel à cristaux liquides utilisant des composants selon l'invention. La figure 4b illustre un exemple de réalisation d'un tel panneau d'affichage matriciel à cristaux liquides utilisant des composants selon l'invention. Un tel panneau d'affichage matriciel à cristaux liquides est constitué, comme représenté sur la fi- gure 4a, d'un certain nombre d'électrodes de ligne 11, d'un certain nombre d'électrodes de colonne 12, d'élé- ments de cristaux liquides 13 dont les électrodes de commande 14 sont en série avec les éléments de com- mutation à savoir les éléments bipolaires selon l'invention 10. Un exemple de réalisation d'un tel panneau d'affichage et son mode de fonctionnement sont illus- trés par la figure 4b. Un tel panneau est réalisé à l'aide de deux dalles planes parallèles fixées l'une à l'autre de façon à ménager entre elles un espace qui est rempli de cristal liquide. Une première dalle porte les électrodes de ligne 11, les composants selon l'invention 10 et les électrodes de commande 14 du cristal liquide repré- senté dans son ensemble par le même repère 13. Une deuxième dalle 21 porte les électrodes transparentes de colonne 12. Selon l'effet électrooptique du cristal liqui- de utilisé, sont ajoutés des éléments nécessaires connus de l'homme de l'art non représentés sur la figure: couche d'alignement du cristal liquide sur les parois, polariseurs de la lumière. Le fonctionnement d'un tel dispositif matriciel possédant à chaque intersection de ligne et de colonne un élément non linéaire est connu de.l'homme de l'art. A titre d'exemple non limitatif, un mode de fonctionnement est décrit cidessous dans le cas o l'information à afficher est binaire. Le mode d'adressage retenu est un adressage ligne par ligne. Chacune des lignes est portée à tour de rôle un potentiel V1, tandis que toutes les autres sont maintenues à un potentiel nul. Simultanément, les colonnes sont portées soit à un potentiel El-, soit à un potentiel 21 Les différences de potentiel entre lignes et co- lonnes que l'on peut observer sur la matrice sont alors V1 V VL = V VC 2 VL vC 2 Li VC =-2 'L-VC 2 V1 3V1 VL = v1 vc = 2 VL VC 2 Si l'on prend V = VT et si l'on se reporte à la figure 3 représentant la caractéristique I(V) du transistor à effet de champ selon l'invention, on constate qu'aucun courant ne peut circuler dans les trois premiers cas, au contraire de ce qui se passe dans le quatrième. Si la situation ainsi décrite dure un temps suffisant, la capacité formée par le cristal liquide lui-même se charge sous une tension VT/2 qui doit être calculée suffisante pour que le cristal liquide soit excité. Une possibilité offerte par ce dispositif est de renverser toutes les polarités à chaque trame, en raison de la symétrie des caractéristiques électri- ques des composants.. Dans un tel mode de fonctionnement, le cristal liquide est excité en tension alternative, ce qui améliore considérablement sa durée de vie. R E v E N D y C A T D 0 N 1. Elément bipolaire à conduction non linéaire constitué d'un corps semiconducteur pris entre deux couches isolantes, de deux électrodes de source et de drain en contact de chaque côté avec le corps semiconducteur, et, d' une électrode de grille double, caractérisé en ce que cette électrode de gril- le consiste en une première partie conductrice appli- quée sur l'une des couches isolantes, sur sa face opposée à celle en contact avec le corps semiconduc- teur, et reliée au drain, et en une seconde partie conductrice appliquée sur l'autre couche isolante, dite seconde couche, sur sa face opposée à celle en contact avec le corps semiconducteur, et reliée à la source, l'ensemble ainsi constitué étant posé sur un substrat isolant sur lequel il repose par l'électrode -de grille. 2. Elément bipolaire à conduction non linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches isolantes sont deux lames superposées dont les bords latéraux sont dans le même plan, en ce que l'électrode de source consiste en une première bande métallique appliquée sur le substrat et bordant d'un côté la lame isolante reposant sur celui-ci, ou pre- mière lame, en une deuxième bande métallique insérée entre les deux lames à partir de leur bord, et en une troisième bande métallique appliquée sur le bord de la première lame, et sur toute sa hauteur, en ce que l'électrode de drain consiste en une première bande métallique appliquée sur le substrat et bordant de l'autre côté la première lame isolante, en une deuxième bande métallique insérée entre les deux lames à partir de leur bord, en une troisième bande métallique appli- quée sur l'autre lame isolante, ou deuxième lame, à partir du bord, et en une quatrième bande métallique appliquée sur toute la hauteur des deux lames, la première bande de l'électrode de source s'enfonçant sous la première lame isolante au plus jusqu'à l'aplomb de la deuxième bande de l'électrode de drain, la troi- sième bande de l'électrode de drain s'étendant, elle, au plus jusqu'a l'aplonb de la deuxième bande de l'électrode de source. 3. Elément caractérisé en ce couches isolantes 4. Elément caractérisé en ce est en molybdène. 5. Elément caractérisé en ce est en chrome. 6. Elément caractérisé en ce en molybdène. 7. Elément caractérisé en ce en chrome. bipolaire selon la revendication 1, que l'épaisseur desdites - est comprise entre bipolaire selon la que l'électrode de bipolaire selon la que l'électrode de bipolaire selon la que l'électrode de bipolaire selon que l'électrode la de nm et 500 nm. revendication 1, source revendication 1, source revendication 1, drain est revendication 1, drain est- 8. Panneau d'affichage matriciel à cristaux liquides constitué de deux dalles planes parallèles entre lesquelles est insérée une lame de cristal li- quide, d'une série d'électrodes de ligne fixées à l'une des dalles, d'une série d'électrodes de colonne fixées à l'autre dalle et orientées perpendiculairement aux électrodes de ligne, les points de croisement de deux électrodes de séries différentes définissant les cellules du cristal liquide aux bornes desquelles sont appliquées, en fonctionnement, des différences de potentiel, par l'intermédiaire d'éléments de com- 1 1 mutation, caractérisé en ce que ces éléments de com- mutation sont des éléments bipolaires à conduction non linéaire suivant l'une des revendications 1 à 7.