Brevet FR2511809A1 — publié le 19830225

L'invention concerne d'une manière générale des montages de circuits perfectionnés et des procédés perfectionnés pour compenser le courant de fuite à la jonction d'un dispositif semiconducteur, et elle a trait plus particulièrement à un procédé et un circuit destinés à compenser le courant de fuite de grille de transistors unijonctions à effet de champ. Avec l'avènement des dispositifs à semiconducteurs, des fonctions électroniques sophistiquées ont-été obtenues à un coût extrêmement bas L'un des facteurs principaux contribuant à diminuer le coût est la possibilité d'essayer et/ou de mettre au point de tels dispositifs avant l'assem- blage final La mise au point améliore les caractéristiques de fonctionnement; l'essai avant assemblage permet d'éli- miner les dispositifs défectueux ou présentant de mauvai- ses caractéristiques de fonctionnement avant l'apparition de frais supplémentaires. Une raison importante pour laquelle on utilise le transistor unijonction à effet de champ est son très faible courant d'entrée, qui résulte du courant de fuite de la jonction enpolarisation inverse de la grille qui commande le courant de sortie du dispositif Ceci est contraire au cas d'un transistor bipolaire dont la base est polarisée dans le sens passant, à une valeur de cou- rant qui peut être appréciable si le gain de courant faible du dispositif est mauvais Ceci est un problème de fabrication courant impliquant des rapports coût- production Par contre, dans le cas de transistors uni- jonctions à effet de champ, la fuite de jonction en pola- risation inverse peut être établie et maintenue à une valeur de courant extrêmement faible Des valeurs de cou- rant, à la température ambiante, d'un pico-ampère sont habituelles dans un transistor unijonction à effet de champ et il est possible d'obtenir des valeurs de courant encore plus faibles. Cependant, un problème aigu est engendré, dans tout dispositif semiconducteur du type à jonctionen pola- risation inverse, lors d'un fonctionnement à température plus élevée, en raison du doublage du courant de fuite à chaque élévation de température d'environ 10 C Par conséquent, le courant de fuite à 00 C, dans le cas de dispositifs semiconducteurs à jonction en polarisation inverse, devient environ 5700 fois plus grand à 1250 C par exemple. Bien que cet accroissement très important du courant de fuite des dispositifs semiconducteurs du type à jonction en polarisation inverse soit habituellement quelque peu moins gênant dans des montages en amplificateur différentiel, le désaccord des courants de fuite du dis- positif d'entrée est amplifié de la même façon par une élévation de température; à savoir, un désaccord de fuite de 10 % entre des dispositifs d'entrée ayant un cou- rant de fuite nominal d'un pico-ampère à O C devient un désaccord de courant de fuite de presque 1 nano-ampère à 1250 C. Dans le passé, il était courant de réduire le désaccord des courants de fuite entre les dispositifs en fonction de la température par des schémas de compensa- tion à priori tels de l'utilisation d'un second disposi- tif semiconducteur du type à jonction en polarisation inverse pour compenser la fuite du ou des dispositifs d'entrée Ce type de procédé souffre du même problème général que décrit ci-dessus, à savoir qu'il est difficile de fabriquer deux dispositifs à jonction en polarisation inverse ayant le même courant de fuite On connaît égale- ment divers schémas de compensation à posteriori tels que l'ajustage de dispositifs actifs et/ou passifs corres- pondants (par exemple des éléments de charge) sur la base des valeurs de courant de fuite mesurées après la fabri- cation initiale, mais avant l'emballage final du dispo- sitif Cependant, des techniques de mesure à sonde à lame ne peuvent mesurer avec précision et donc compenser conve- nablement des courants de fuite ou des désaccords de courants de fuite de l'ordre de 100 pico-ampères ou moins. Les parasites électriques ambiants et la lumière ambiante participent à ce problème de mesure des courants de fuite. Il est donc nécessaire de mettre au point des techniques perfectionnées de compensation des courants de fuite de faible valeur dans des dispositifs semiconducteurs à jonction en polarisation inverse, tels que des courants de fuite de jonction. L'invention a pour objet un appareil, un circuit et un procédé destinés à réduire sensiblement l'amplitude et la variation des courants de fuite indésirables dans des dispositifs semiconducteurs et des circuits intégrés. L'invention a également pour objet supplémentaire de réduire l'amplitude et la variation, en fonction de la température, de courants de fuite indésirés apparaissant dans des cir- cuits intégrés et des dispositifs semiconducteurs à pola- risation inverse L'invention a pour autre objet de ré- duire l'amplitude et la variation, en fonction de la tempé- rature, de courants de fuite indésirés résultant du courant de fuite de grille d'un transistor unijonction à effet de champ ou de transistors unijonctions multiples à effet de champ L'invention a également pour objet un procédé pour régler une source de courant afin de compenser des courants de fuite à des températures élevées, de manière à réduire des courants indésirables de décalage et/ou de fuite sur une certaine plage de températures L'invention a également pour objet un procédé destiné à faire varier avec précision, en fonction de la température, les courants de deux dispositifs semiconducteurs, ces courants augmen- tant avec la température. L'invention concerne donc un circuit à semi- conducteurs destiné à fonctionner sur une certaine plage de températures Le circuit comprend un premier dispositif semiconducteur ayant un faible courant de fuite à la tempé- rature ambiante et un courant de fuite plus élevé aux températures supérieures, un ensemble à semiconducteurs présentant des caractéristiques de courant de fuite en fonction de la température similaires à celles du premier dispositif auquel il est relié électriquement pour fournir au moins une partie du courant de fuite du premier dispo- sitif, et au moins un dispositif à tension réglable relié électriquement au premier dispositif et à l'ensemble à semiconducteurs et réglé à une température supérieure à la température ambiante pour accorder sensiblement le courant de fuite du premier dispositif et celui de l'en- semble à semiconducteurs Le circuit décrit est réalisé d'une seule pièce avec une source réglable de courant destinée'à compenser les courants de fuite, variant en fonction de la température, dans un dispositif semi- conducteur Lorsque la source de courant est sensible à la tension, son courant et celui du dispositif sont mesurés à une température à laquelle des courants de compensation sont plus grands, et la tension est ajustée par réglage pour établir la meilleure compensation. Conformément à une autre forme de réalisation de l'invention, il est décrit un circuit à semiconducteurs destiné à fonctionner comme amplificateur différentiel avec un faible courant de polarisation d'entrée sur une large plage de températures Le circuit comprend des pre- mier et second éléments de gain d'un dispositif semi- conducteur ayant de faibles courants de fuite d'entrée à la température ambiante et de plus grands courants de fuite d'entrée aux températures plus élevées, des premier et second dispositifs semiconducteurs ayant des caractéristi- ques de courant de fuite, qui varient en fonction de la température, analogues à celles des premier et second- éléments, les premier et second dispositifs semiconducteurs étant reliés électriquement aux entrées des premier et second éléments, respectivement, afin de fournir au moins une partie des courants de fuite d'entrée des premier et second éléments, et au moins un dispositif à tension réglable, relié électriquement au premier élément et au premier dispositif semiconducteur et au second élément et au second dispositif semiconducteur Le dispositif à tension réglable est-ajusté à une tempéra- ture supérieure à la température ambiante pour accorder sensiblement les courants de fuite des premier et second éléments et des premier et second dispositifs semiconducteurs afin de réduire le courant efficace de polarisation d'entrée sur une certaine plage de températures Le circuit ou l'appareil décrit comprend deux sources de courants ajustables, réalisées d'une seule pièce et sensibles à la tension, destinées à compenser les courants qui varient en fonction de la température dans des dispositifs semi- conducteurs interconnectés Les courants des sources de courant et les courants des dispositifs sont mesurés à une température o les courants de compensation sont importants, et le dispositif à tension réglable est ajusté par réglage afin d'établir la meilleure compensation. Selon une autre forme de réalisation de l'inven- tion, il est décrit un procédé destiné à réduire le cou- rant de fuite efficace d'un dispositif semiconducteur sur une large plage de températures Le procédé consiste à connecter un ensemble à semiconducteurs, ayant un courant de fuite qui varie en fonction de la température, analogue à celui du dispositif,à une alimentation fournissant au moins une partie du courant de fuite du dispositif, et à régler un dispositif d'alimentation en tension relié au dispositif et à l'ensemble à semiconducteurs, afin que la température de ce dispositif d'alimentation soit supé- rieure à la température ambiante pour accorder les courants de fuite du dispositif et de l'ensemble à semiconducteurs à la température élevée de façon à réduire le courant de fuite efficace du dispositif sur la large plage de températures. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: 9 la figure 1 est un schéma simplifié du circuit selon l'invention qui peut être utilisé pour compenser un courant de fuite de jonction par réglage; la figure 2 est un schéma simplifié d'une autre forme de réalisation du circuit selon l'invention utilisée pour compenser les courants de fuite de jonction dans deux dispositifs convenant à une utilisation dans un montage d'entrée différentiel; et la figure 3 est un graphique montrant le courant de polarisation d'entrée (ordonnées) en fonction de la température (abscisses) pour le circuit de la figure 1, avant et après réglage de compensation. La figure 1 représente schématiquement une forme de réalisation de l'invention Le circuit de la figure 1 comprend un transistor unijonction à effet de champ 1 (JFET) de toute polarité souhaitée Un dispositif ou en- semble 2 de compensation, sensible à la température et à la tension, est connecté au transistor unijonction 1, comme montré Des éléments réglables 4 et 6 de commande de tension sont montés, comme montré, afin de régler les tensions aux bornes du dispositif 2 de compensation et du transistor 1. Dans la forme de réalisation de la figure 1, le dispositif ou transistor 1 présente un courant de grille sensible à la fois à la température et à la tension inverse drain-grille Le dispositif 2 de compensation de courant est avantageusement un second dispositif analogue ou identique au dispositif 1 afin d'établir la meilleure variation du courant de compensation et du courant de grille en fonction de la température Dans ce cas, le dispositif 1 de compensation est également un transistor unijonction à effet de champ dont la source et le drain sont connectés l'un à l'autre et à la grille du dispositif 1 Etant donné que le courant de fuite dans le dispositif 1 et dans le dispositif 2 augmente avec la tension (ainsi qu'avec la température), les éléments réglables 4 et 6 de commande de tension peuvent être ajustés pour établir la meilleure compensation Les éléments réglables 4 et 6 peuvent constituer, par exemple, un réseau de résistances réglables. Le procédé de réglage de compensation est expli- qué en regard de la figure 3 Quand bien même les disposi- tifs 2 et 1 sont de préférence choisis de façon à avoir des courants de fuite identiques, le courant de polarisa- tion d'entrée, avant réglage (voir la droite supérieure A) est proche de 10 p A à 250 C et il s'élève à plus de nano-ampères à 1500 C A la température ambiante, le cou- rant de polarisation d'entrée du dispositif 1 est si faible qu'il est extrêmement difficile à mesurer, en production en grande série (par exemple avec une sonde à lame), avec une précision suffisante pour permettre un réglage appro- prié En plaçant l'ensemble du circuit, par exemple, sur un mandrin chauffé et en élevant la température à 1500 C, par exemple, le courant mesuré de polarisation d'entrée devient beaucoup moins sensible aux signaux para- sites et un réglage précis peut être réalisé, au moins à une valeur de nouveau déterminée par les parasites Par exemple, le courant de polarisation d'entrée peut être réglé par ajustage des éléments 4 et 6 d'environ 25 nano- ampères à environ 100 pico-ampères à 1500 C. Cet accroissement de 250 fois, donné à titre d'exemple, est maintenu sur la plage de températures de la figure 3,de sorte que le courant de polarisation d'en- trée à 250 C est réduit à environ 20 femto-ampères La limite pratique de réduction est la résolution et la préci- sion de la mesure du courant à température élevée et, par conséquent, la compensation est améliorée par une mesure effectuée à la plus haute température compatible avec d'autres considérations La droite B de la figure 3 donne le courant de polarisation d'entrée après réglage à 1750 C. La figure 2 représente schématiquement un cir- cuit analogue réalisé dans le cas o des dispositifs uni- jonctions 11 et 33 à effet de champ peuvent être utilisés comme éléments différentiels (par exemple dans un ampli- ficateur différentiel) Deux dispositifs 22 et 24 de compensation de courant réalisent une compensation indivi- duelle de fuite pour les dispositifs unijonctions 11 et - 33, respectivement, par ajustage au moins de deux éléments réglables 44 et 66 de commande de tension (qui sont ana- logues aux éléments 4 et 6 de la figure 1) L'élément 66 peut être, par exempleun élément de charge pour les dispo- sitifs 11 et 33, et il peut être ajusté séparément pour compenser les différences des caractéristiques du dispositif 11 et 33 à des températures élevées, avant le réglage final pour la compensation des courants de fuite par ajustage de l'élément réglable double 44 de commande de tension (qui est réglable de même que l'élément 4). L'appareil et le procédé décrits ci-dessus peuvent être appliqués à d'autres dispositifs semi- conducteurs dont les courants de fuite risquent d'affecter notablement le fonctionnement du circuit Par exemple, dans un transistor bipolaire, le courant de fuite collecteur- base est multiplié par le gain de courant et provoque l'apparition de signaux parasites indésirables à tempéra- ture élevée Des moyens convenables de compensation de courant peuvent être prévus et ajustés avec précision à température élevée pour établir une compensation sur une plage latérale Le procédé s'applique d'une façon générale à chaque fois qu'un courant, variant en fonction de la température, entraîne, dans un circuit, l'apparition d'un signal parasite ou indésirable à des températures-élevées. Le procédé de compensation décrit convient également, en particulier, à chaque fois que deux courants qui augmentent avec la température doivent varier avec précision sur une large plage de températures; le rapport souhaité des courants peut être différent de 1, comme c'est le cas de la compensation de courant de fuite décrite ci-dessus. Sur les figures 1 et 2, le courant de compensa- tion est indiqué en CC et le courant de grille en CG. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au circuit décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Circuit à semiconducteurs destiné à fonction- ner sur une certaine plage de températures, comprenant un premier dispositif semiconducteur ( 1 ou 11) présentant un faible courant de fuite à la température ambiante et un courant de fuite plus grand aux températures supé- rieures, le circuit étant caractérisé en ce qu'il comporte un élément semiconducteur ( 2) qui présente des caractéris- tiques de courant de fuite variant en fonction de la tempé- rature, analogues à celles du premier dispositif auquel il est relié électriquement afin de fournir au moins une partie du courant de fuite du premier dispositif, et au moins un élément ( 4) à tension réglable, relié électrique- ment au premier dispositif et audit élément semiconducteur is et réglé à une température supérieure à la température ambiante, afin de réduire le courant de fuite efficace du premier dispositif sur une certaine plage de tempéra- tures. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un second élément ( 6) à tension ré- glable relié au premier dispositif et réglé à une tempéra- ture supérieure à la température ambiante afin de réduire le courant de fuite efficace du premier dispositif sur une certaine plage de températures. 3 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément à tension réglable accorde sensi- blement les courants de fuite du premier dispositif et de l'élément semiconducteur. 4 Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second élément à tension réglable accorde les courants de fuite du premier dispositif et de l'élé- ment semiconducteur. Circuit selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 et 4, caractérisé en ce que le premier disposi- tif et l'élément semiconducteur comprennent des transistors unijonctions à effet de champ. 6 Circuit à semiconducteurs selon la revendica- tion 1, destiné à être utilisé comme amplificateur 1 O différentiel avec un faible courant de polarisation d'entrée, sur une large plage de températures, caractérisé en ce qu'il comporte un second dispositif semiconducteur ( 33) ayant un faible courant de fuite d'entrée à la tempé- rature ambiante et un courant de fuite plus important aux températures supérieures, un second élément semi- conducteur ( 22 ou 42) ayant des caractéristiques de fuite qui varient en fonction de la température, analogues à celles du second dispositif, ledit second élément semi- conducteur étant relié électriquement à l'entrée du second dispositif pour fournir au moins une partie des courants de fuite d'entrée dudit second dispositif, ledit élément ( 44) à tension réglable étant relié électriquement au premier dispositif ( 11) et au premier élément semi- conducteur ( 22), ainsi qu'au second dispositif ( 33) et au second élément semiconducteur ( 42) et étant réglé à une température élevée afin de réduire la différence des courants de fuite d'entrée des premier et second disposi- tifs sur une certaine plage de températures. 7 Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit élément à tension réglable accorde sensi- blement les courants de fuite des premier et second dispo- sitifs et des premier et second éléments semiconducteurs pour réduire la différence entre les courants de fuite d'entrée des premier et second dispositifs sur une certaine plage de températures. 8 Circuit selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte un second élément ( 66) à tension réglable relié aux premier et second dispositifs et réglé à ladite température supérieure pour réduire le courant efficace de polarisation d'entrée appliqué auxdits premier et second dispositifs sur une certaine plage de températures. 9 Circuit selon l'une quelconque des revendica- tions 6, 7 et 8, caractérisé en ce que les premier et second dispositifs et les premier et second éléments semi- conducteurs comprennent des transistors unijonctions à effet de champ. Circuit selon la revendication 9, caractérisé en ce que chacun des premier et second éléments semi- conducteurs comprend un transistor unijonction à effet de champ dont la source et le drain sont reliés électrique- ment. 11 Procédé d'utilisation du circuit à semi- conducteurs selon la revendication 1, afin de réduire le courant de fuite efficace dudit premier dispositif semi- conducteur(l)sur une large plage de températures, caracté- risé en ce qu'il consiste à connecter ledit élément semi- conducteur ( 2), ayant un courant de fuite sensible à la température, analogue à celui du premier dispositif semi- conducteur, à ce premier dispositif semiconducteur pour fournir au moins une partie du courant de fuite dudit premier dispositif semiconducteur, et à régler ledit élé- ment ( 4) à tension réglable, relié au premier dispositif semiconducteur et audit élément semiconducteur, à une température supérieure à la température ambiante pour ré- duire le courant de fuite efficace du premier dispositif semiconducteur sur ladite large plage de températures. 12 Procédé d'utilisation du circuit à semi- conducteurs selon la revendication 1 pour réduire le courant de fuite efficace du premier dispositif semiconducteur ( 1) sur une large plage de températures, caractérisé en ce qu'il consiste à relier l'élément semiconducteur ( 2), ayant un courant de fuite sensible à la températureana- logue à celui du premier dispositif semiconducteur, au- dit premier dispositif semiconducteur pour fournir au moins une partie du courant de fuite de ce premier dispositif semiconducteur, et à régler ledit élément ( 4) à tension réglable, relié au premier dispositif semiconducteur et audit élément semiconducteur, à une température supérieure à la température ambiante pour accorder le courant de fuite efficace du premier dispositif semiconducteur sur ladite large plage de températures. 13 Procédé selon la revendication 12, caracté- risé en ce qu'il consiste à régler un second élément ( 6) d'alimentation en tension relié au premier dispositif semiconducteur et à l'élément semiconducteur, à ladite température supérieure, afin de réduire le courant de fuite efficace du premier dispositif sur ladite large plage de températures. 14 Procédé selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le premier dispositif semi- conducteur et ledit élément semiconducteur comprennent chacun un transistor unijonction à effet de champ. 15 Procédé d'utilisation du circuit à semi- conducteurs selon la revendication 1 pour établir un rapport, suivant avec précision la température, du courant du premier dispositif semiconducteur ( 11) aux courants dudit élément semiconducteur ( 22), ces courants augmentant avec la température, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser ledit élément ( 44) à tension réglable pour régler au moins l'un desdits courants, et à régler ledit élément à tension réglable, à une tempéra- ture supérieure à la température ambiante, afin d'établir le rapport souhaité des deux courants.