Brevet FR2617336A1 — publié le 19881230

COtSUTATEUR RAPIDE A DECLENCHEMENT PAR UNE TENSION La présente invention concerne le domaine des commutateurs électroniques rapides dont l'état de conductivité varie brutalement en réponse à des variations de tension. Classiquement, de tels commutateurs rapides utilisent dans le domaine des semiconducteurs l'effet Zener ou l'effet d'avalanche. Ils peuvent commuter d'un état bloquant à haute résistance a un état passant à faible résistance quand la tension appliquée dépasse un certain seuil. On cherche à obtenir des résistances à l'état bloqué aussi élevées que possible et des résistances à l'état passant aussi faibles que possible, pour éviter les pertes. Une autre caractéristique importante de ces dispositifs est le courant qu'ils peuvent laisser passer à l'état conducteur. Une autre caractéristique importante de ces dispositifs réside dans leur vitesse de commutation. D'autre part, étant donné l'évolution actuelle des systèmes électroniques et des efforts de miniaturisation, on cherche à disposer sur un même substrat le plus grand nombre possible de composants élémentaires, ces composants élémentaires étant éventuellement adressables matriciellement. Dans le domaine des semiconducteurs, une limitation inhérente à ces intégrations est que chaque dispositif élémentaire doit être isolé des dispositifs voisins pour qu'il ne se produise pas d'interférence entre eux, ces isolements étant réalisés par exemple par des oxydes de champ, des rainures, ou des caissons de diffusion profonde. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un commutateur à déclenchement par une tension, extrêmement rapide, dont la durée de commutation puisse être de l'ordre de la nanoseconde tant à l'ouverture qu'a la fermeture. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel commutateur qui présente une résistance à l'état bloqué extrêmement élevée supérieure au gigohm. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel commutateur qui puisse laisser passer des courants relativement importants, par exemple de l'ordre de l'ampère. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel composant qui se prète bien à une intégration extrêmement miniaturisée avec d'autres composants similaires, par exemple pour un adressage matriciel. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un commutateur ultrarapide à déclenchement par une tension, comprenant un matériau monocristallin du type quasi-unidimensionnel, à transport par onde de densité de charge, placé à une température inférieure à la température de Peierls, et semiconducteur en dessous de cette température, et des électrodes métalliques à faible résistance de contact placées de part et d'autre du cristal selon son axe b. De tels matériaux sont, par exemple, décrits dans un article de J. Dumas, Revue de Physique appliquée (section Sciences des Matériaux), 22, 309, 1987. Ledit matériau monocristallin peut notamment être choisi dans le groupe comprenant les tri- et les tétra- chalcogénures de métaux de transition et les bronzes bleus de molybdène. Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit matériau monocristallin a la forme d'une plaquette dont les faces principales sont orientées perpendiculairement à-son axe b et des électrodes localisées sont disposées en vis à vis sur ces faces. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit matériau monocristallin à la forme d'une plaquette dont les faces principales sont orientées perpendiculairement à son axe b et des électrodes en forme de bandes parallèles mutuellement orthogonales sont disposées sur chacune des faces. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les électrodes sont des électrodes métalliques déposées par voie électrolytique, par exemple des électrodes de cuivre. Si le matériau est du bronze bleu de molybdène, de formule KO,3MoO3, la température de fonctionnement est comprise entre quelques degrés Kelvin et quelques dizaines de degrés Kelvin, de préférence entre 4,2 et 40 degrés Kelvin. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisations particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente un schéma élémentaire d'un dispositif selon la présente invention la figure 2 représente une caractéristique tensioncourant d'un dispositif selon la présente invention la figure 3 représente un exemple de circuit intégré selon la présente invention. Comme le représente la figure 1, un dispositif selon la présente invention comprend un matériau monocristallin 1 dont les faces opposées 2 et 3 selon l'axe b sont métallisées, par dépôt électrolytique, évaporation, ou pulvérisation, d'un matériau très conducteur tel que du cuivre. Le monocristal est un matériau du type à onde de densité de charge quasi-unidimensionnel tel qu'un trichalcogénure de métal de transition, par exemple TaS3, un tétrachalcogénure tel que (TaSe4)2I, (NbSeq)10/3I > etc., un bronze bleu de molybdène tel que A0 > 3Mo03 où A est un corps choisi dans le groupe comprenant le potassium (K), le rubidium (Rb), le thallium (Tl). Ce matériau est placé à une température inférieure à la température dite de Peierls, comme cela est par exemple décrit dans l'article de L.Mihaly et G.X. Tessema paru dans Physical Review B, volume 33, numéro 8-du 15 avril 1986. Dans l'art antérieur, on avait montré que de tels matériaux ont des caractéristiques non linéaires de courant en fonc tion de la tension quand la tension dépasse une certaine tension de seuil, passant ainsi d'une résistance très élevée à une résistance plus faible. Les inventeurs ont montré que, alors que jusqu'# présent on considérait que la résistance minimum que l'on pouvait atteindre une fois dépassée la tension de seuil était de l'ordre de plusieurs mégohms, cette résistance pouvait descendre à des valeurs de l'ordre de l'ohm si l'on choisit des métallisations très conductrices et convenablement déposées, pour obtenir des contacts ohmiques, par exemple par bain électrolytique ou évaporation. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les inventeurs ont utilisés du K0 > 3Mo03 à une température voisine de celle de l'hélium liquide, de l'ordre de 4 K, et ont observé que la caractéristique tension-courant avait l'allure représentée en figure 2. Contrairement aux observations de l'art antérieur, les inventeurs se sont aperçus que la valeur maximale du courant pouvait atteindre une valeur de l'ordre de l'ampère pour des tensions de seuil de l'ordre du volt. Ainsi, on peut dire que la résistance statique à l'état passant est de l'ordre de l'ohm. En fait, cette résistance statique est limitée par le reste du circuit et ce que l'on doit considérer est la résistance dynamique qui est pratiquement nulle, c'est-à-dire que l'on se trouverait la devant un phénomène analogue à la supraconductivité. Expérimen tapement, les inventeurs ont vu que ce type de phénomène se .pro- duisait pour le corps mentionné ci-dessus entre des températures de 40K et de 40 K. Des températures inférieures n'ont pas été essayées pour des raisons expérimentales mais aucune considération théorique n'interdit de descendre plus bas. Bien entendu, un dispositif selon la présente invention ne peut fonctionner en continu car le passage de courants aussi intenses risquerait d'entrafner un échauffement excessif en raison des résistances de contact entre les électrodes et le corps du du matériau, étant entendu que pratiquement aucune dissipation n'existe dans le matériau qui atteint une valeur de résistance quasi nulle. Avec des électrodes de cuivre déposées par voie électrolytique sur un cristal de 5 X 5 X 10 mm, les. inventeurs ont pu faire passer des impulsions de courant de l'ordre de l'ampère, d'une période de l'ordre de la centaine de millisecondes et d'une durée de quelques dizaines de microsecondes sans provoquer de détérioration du système. Selon un avantage de l'invention, il a été observé que les temps de commutation sont inférieurs a la dizaine de nanosecondes. En fait, cette valeur de 10 nanosecondes résulte des contraintes du système expérimental et l'on peut penser qu'elle est en fait beaucoup plus faible. Un autre avantage du dispositif selon la présente invention, résulte du fait qu'il apparaît que le phénomène utilisé selon la présente invention est extrêmement directionnel. Si l'on prend un cristal de relativement grande dimension et que l'on place sur ses faces opposées selon l'axe b des électrodes localisées en vis à vis, la zone du cristal présentant la transition de commutation est limitée au cylindre rejoignant les deux électrodes. Selon un aspect de la présente invention, le monocristal peut être en forme de plaquette dont les faces principales sont perpendiculaires à l'axe b. Une portion d'une telle plaquette monocristalline est représentée en figure 3. Ainsi, sur les deux faces d'une plaquette 10, on peut disposer des bandes d'électrodes, 11 sur la face supérieure et 12 sur la face inférieure, ces électrodes étant mutuellement orthogonales. Si l'on applique une tension supérieure à la tension de seuil, par exemple 1 volt, entre l'une des électrodes 111 de la face supérieure et l'une des électrodes 122 de la face inférieure, le phénomène de conduction élevée se produira entre ces deux électrodes dès que la différence# de tension dépassera 1 V. Le phénomène se produira seulement dans une zone très localisée, représentée schématiquement dans la figure 3 par un cylindre 13 orthogonal aux faces.Le phénomène dans cette zone n'affectera pas les points de croisement voisins. Actuellement, avec une plaquette de 100 micromètres d'épaisseur, l'indépendance entre les différents points de croisement existe dans les limites des possibilités connues de la microlithographie des électrodes, c'cst-à-dire des électrodes d'une largeur de 1 micromètre espacées d'l micromètre. Alors qu'un dispositif selon la présente invention a été construit avec un substrat de Ko > 3Mo03 > les interprétations théoriques actuellement données au phénomène, qui peuvent par exemple être déduites du document susmentionné; indiquent que l'invention peut être mise en oeuvre avec tout matériau du type défini précédemment. L'invention englobe notamment l'utilisation de matériaux répondant à cette définition et non encore fabriqués pour lesquels l'application selon l'invention pourra se rapprocher de la température ambiante ou au moins de la température de l'azote liquide pour arriver à des dispositifs plus simplement utilisables industriellement. Un autre avantage de ce dispositif est qu'il est insensible aux champs magnétiques. Des expériences ont montré que jusqu'# 20 teslas aucune modification du fonctionnement n'était observée. REVENDICATIONS 1. Commutateur ultrarapide à déclenchement par une tension, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau monocristallin (1) du type quasi-unidimensionnel > à transport par onde de densité de charge, placé à une température inférieure à la température de Peierls, et semiconducteur en dessous de cette température, et en ce que des électrodes métalliques (2, 3) à faible résistance de contact sont placées de part et d'autre du cristal selon son axe b. 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau monocristallin est choisi dans le groupe comprenant les tri- et les tetra- chalcogénures de métaux de transition et les bronzes bleus de molybdène. 3. Commutateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit matériau monocristallin a la forme d'une plaquette (10) dont les faces principales sont orientées perpendiculairement à son axe b et en ce que des électrodes localisées en vis à vis sont formées sur ces faces. 4. Commutateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit matériau monocristallin a la forme d'une plaquette (10) dont les faces principales sont orientées perpendiculairement a son axe b et en ce que des électrodes (11, 12) en forme de bandes parallèles mutuellement orthogonales sont disposées sur chacune des faces. 5. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau est du A0,3M003 > A étant choisi dans le groupe comprenant K, Rb et Tl. 6. Commutateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit matériau est du K0 > 3Mo03. 7. Commutateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température de fonctionnement est comprise entre 4 et 400K. 8. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les électrodes sont déposées par voie électrolytique. 9. Commutateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les électrodes sont en cuivre.