Brevet FR2634060A1 — publié le 19900112

Structure de source d'électrons et application aux tubes d'émission d'ondes électromagnétiques La présente invention concerne la structure des sources d'électrons et, à titre d'application, les tubes d'émission d'ondes électromagnétiques de très hautes fréquences et de grande puissance. Dans de nombreux domaines, il est nécessaire de pouvoir produire des faisceaux d'électrons dont l'énergie est utilisée pour la production de phénomènes secondaires, par exemple l'émission d'ondes électromagnétiques. Tel est le cas des tubes hyperfréquences qui enttent couramment dans la constitution des systèmes électroniques de commande, par exemple ceux des radars. Actuellement, la source qui produit un faisceau d'électrons dans de tels tubes est composée d'une cathode thermoionique portée à température, notamment par effet Joule. Cette technique permet de produire assez facilement des électrons avec une densité souhaitée, mais elle présente néanmoins un inconvénient dans le cas o il est nécessaire de moduler cette densité d'électrons. En effet, pour obtenir cette modulation, il est nécessaire alors d'associer aux cathodes des électrodes annexes bien connues très schématiquement constituées par des grilles sur lesquelles sont appliqués des potentiels électriques variables. Les performances de ces sources sont rapidement limitées dès que la fréquence dépasse 1 MHz, en raison des temps de transit. Des solutions ont été proposées pour tenter de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus. L'une d'elles est le lasertron qui utilise l'effet photoélectrique. Une impulsion laser incidente, modulée A la fréquence désirée, excite le courant d'électrons par photoémission A partir d'une cathode ayant de bonnes propriétés photoémissives. Cette solution nécessite un laser modulé à très haute fréquence et une cathode ayant des propriétés photoémissives très stables. Ces conditions rendent une telle source peu utilisable dans le domaine industriel, du fait de sa complexité et de son prix de revient élevé. Comme solution, il a aussi été proposé un solide à base de 2534C6C, 263 oC 6 C matériaux semi-conducteurs essentiellement constitué de deux couches de matériaux comme de l'Arséniure de Gallium à deux dopages différents, entre lesquelles est appliquée une tension électrique. L'une des deux couches permet de libérer une certaine quantité d'électrons qui sont alors soumis au champ électrique créé par]a tension électrique. Ils sont donc accélérés pour tomber ensuite sur la seconde couche qui permet leur multiplication. Lorsqu'ils ont acquis une énergie suffisante, ils sont éjectés du solide, particulièrement par la seconde couche dont le r8le d'extraction est accentué par l'apport d'une couche additionnelle sur sa face externe, par exemple du Césium ou de l'Oxyde de Césium. Cette couche additionnelle a pour but d'abaisser l'affinité électronique du semi-conducteur et tous les électrons arrivant dans cette zone de conduction peuvent ainsi avoir assez d'énergie pour s'extraire de la seconde couche et donc du 1i solide. Cependant, cette dernière solution ne permet qu'une extraction d'électrons continue ou modulée à basse fréquence, mais rend toujours impossible une modulation rapide de la quantité d'électrons éjectés, pour obtenir, notamment dans le cas des sources d'électrons pour les 2 tubes hyperfréquences, des "paquets" successifs d'électrons permettant de créer des ondes électromagnétiques modulées. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus et de proposer une source d'électrons d'une structure simple, et utilisable dans de nombreux domaines, telle que son prix de revient en fasse un produit industriel de grande diffusion, et surtout qui puisse délivrer une quantité d'électrons très facilement modulable. Plus précisément, la présente invention a pour objet une source d'électrons comportant un solide comprenant une première couche semiconductrice apte à libérer des électrons sous l'action d'un champ électrique et des moyens pour rendre au moins une de ses faces partiellement transparente à au moins une partie desdits électrons libérés et permettre à cette partie d'électrons d'être éjectée dudit solide, caractérisée par le fait que le solide comporte en outre, 3, entre ladite première couche et la face au moins partiellement transparente, au contact de cette dite première couche, une deuxième couche composite semi-conductrice instable ayant une structure résistance différentielle négative, et qu'elle comporte des moyens pour former avec ladite première couche et ladite deuxième couche composite une cavité résonnante électrique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels: La figure 1 représente un mode de réalisation d'une source d'électrons selon l'invention, et La figure 2 représente un exemple d'application de la source selon l'invention comme cathode d'émission d'électrons dans un tube hyperfréquence. La source d'électrons illustrée sur la figure 1 comprend un solide 1 comportant une première couche semiconductrice 2 apte à libérer des électrons sous l'action d'un champ électrique et des moyens 3 pour rendre au moins l'une de ses faces 4 partiellement transparente à au moins une partie des électrons libérés et permettre à cette partie d'électrons d'être éjectée du solide. Ce solide comporte en outre, entre la première couche 2 et la face 4 au moins partiellement transparente, au contact de cette première couche, une deuxième couche composite semi-conductrice 5 instable ayant une structure à résistance différentielle négative. La source comporte en outre des moyens 6 pour former avec la première couche.2 et la deuxième couche 5 composite une cavité résonnante électrique. La deuxième couche composite semi-conductrice 5 instable ayant une résistance différentielle négative est par exemple d'une structure à double-barrière à effet tunnel résonnant ou d'une structure avec effet d'avalanche et contr8lz du temps de transit, qui permet de délivrer, en régime dynamique, une résistance différentielle qui amène à des oscillations de courant de très haute fréquence. Ces structures sont avantageusement constituées, par exemple, d'un empilage d'une pluralité de couches secondaires de matériaux semi- conducteurs du type + p À Cette pluralité de couches secondaires est avantageusement, comme illustré, au nombre de cinq, 11, 12, 13, 14 et 15. Dans ce cas les cinq couches secondaires sont respectivement constituées, pour les couches d'ordre un 11, trois 13 et cinq 15, par de l'Arséniure de Callium, pour les couches d'ordre deux 12 et quatre 14, par de l'Alumino-Arséniure de Gallium. Dans l'exemple donné, la première couche 2 est de l'Arséniure de Callium d'une épaisseur d'environ 1000 à 10 000 Angstrbms et les cinq couches secondaires 11-15 ont une épaisseur de l'ordre de 50 Angstrbms chacune. Comme mentionné ci-avant, la source comporte des moyens 6 pour former, avec la première couche et la couche composite, une cavité résonnante électrique. Ces moyens comportent par exemple deux électrodes 16, 17 respectivement situées, d'une part sur la face 18 de la première couche 2 opposée à celle 19 qui est au contact de la couche composite 5, et d'autre part, sur cette couche composite, par exemple sur la couche secondaire 13 d'ordre trois définie ci-avant. Ces deux électrodes 16, 17 sont aptes à être réunies à une source d'énergie électrique 20 pour fermer la cavité résonnante électrique. A titre d'exemple, le potentiel électrique appliqué entre ces deux électrodes 16, 17 est d'environ 1,5 volt. Ces électrodes sont par exemple constituées par des dépôts de matériaux conducteurs connus en eux-mémes, essentiellement à base d'or, de nickel, de germanium ou de titane, sur lesquels sont solidarisés des connecteurs électriques 21, 22 aptes à être reliés à la source d'énergie électrique 20. A la cavité résonnante électrique précédente, peut Itre associée une cavité résonnante mécanique comme celle qui est représentée sur la figure 2, et qui sera décrite ci-après. Pour pouvoir avantageusement éjecter une densité importante d'électrons, le solide 1 comporte en outre une troisième couche 30 de matériau semiconducteur disposée au contact de la deuxième couche composite 5, et la source d'électrons comporte alors des moyens 31 pour appliquer un champ électrique entre la couche composite 5 et cette troisième couche 30, pour produire une amplification du nombre d'électrons par avalanche à partir des électrons Xibérés au niveau des première 3 et deuxième 5 couches. Cette troisième couche 30 est une couche semi-conductrice de + type n, par exemple d'Arséniure de Gallium. Dans l'exemple de réalisation donné, le champ électrique permettant l'avalanche d'amplification est donné par une tension électrique appliquée entre l'électrode 17 disposée sur la couche secondaire 13 d'ordre trois définie ci-avant et une troisième électrode 33 située sur la troisième couche, la valeur de cette tension étant d'environ 3 volts. Comme mentionné ci-avant, le solide comporte au moins une face 4 partiellement transparente aux électrons libérés dans sa masse. La transparence de cette face est donnée par une quatrième couche 40 de matériau ayant une affinité électronique négative, déposée sur la face de la troisième couche 30 sensiblement opposée à celle qui est au contact de la deuxième couche 5. Cette quatrième couche 40 est par exemple constituée d'un matériau à base de Césium tel que de l'Oxyde de Césium. Il est bien évident que l'on peut réaliser une source d'électrons selon l'invention comportant plusieurs solides montés en parallèle, de même structure que celle décrite ci-avant, pour obtenir une surface d'émission électronique d'une valeur donnée, en fonction des besoins de l'application de cette source. La source d'électrons décrite ci-dessus fonctionne de la façon suivante: Lorsque le solide 1 de structure définie ci-avant est soumis au potentiel de libération des électrons, en fait une faible tension directe, par exemple de 1,5 volts des électrons sont libérés dans la première couche 2 et accélérés vers la deuxième couche 5. Comme celle-ci est instable, elle constitue une source oscillante de libération d'électrons par l'effet tunnel bien connu an lui-même. Les électrons arrivent en sortie de cette deuxième couche composite suivant une densité modulée en fonction de la valeur de la fréquence de résonance de la cavité électrique constituée et sur laquelle il est possible d'exercer des variations déterminées. Quand ces 'paquets' successifs d'électrons arrivent sur la face de sortie de la deuxième couche, ils tombent sur la troisième couche 30 et, comme mentionné ci-avant, leur nombre est amplifié par l'effet d'avalanche créé par la tension d'environ 3 volts appliquée entre la face de la troisième couche 30 opposée à celle commune avec la deuxième couche 5 et l'une, 13, des couches secondaires de cette deuxième couche. Les électrons ainsi libérés et accélérés peuvent s'éjecter du solide, d'autant plus qu'ils arrivent au niveau de la quatrième couche 40, par exemple d'Oxyde de Césium, dont le r8le est d'abaisser l'affinité électronique du semiconducteur, qui, même dans le cas de l'Arséniure de Gallium de type "p" devient négative. Tous les électrons qui passent dans cette zone de conduction peuvent ainsi avoir assez d'énergie pour s'extraire de cette couche, et donc du solide. Les électrons émis peuvent alors être utilisés pour toutes applications, notamment, et fort avantageusement, comme "cathode" émissive d'électrons dans un tube hyperfréquence. En effet, il est très facile, notamment en modulant la valeur des tensions appliquées, de pouvoir moduler à la même fréquence, et suivant la même forme, les paquets" d'électrons extraits du solide par sa face présentant la transparence partielle définie ci-avant. La figure 2 représente schématiquement un tube hyperfréquence utilisant une telle "cathode" 51 comme définie et décrite en regard, notamment, de la figure 1. 20. Ce tube comprend, dans une enceinte sous vide 52, la source d'électrons 51 décrite ci-avant dont la face émissive 57 partiellement transparente est tournée vers l'intérieur 53 de l'enceinte et dont la direction d'émission 54 est sensiblement tangente à l'ouverture d'entrée 55 d'une anode antenne 56 sur laquelle est appliqué un fort potentiel électrique, par exemple 10 kilovolts, ce qui permet de convertir de façon connue les impulsions d'électrons émis après avoir été accélérés en des ondes électromagnétiques du type hyperfréquences, comme celles qui sont par exemple utilisées dans les circuits d'alimentation des radars ou analogues. Dans cette réalisation, la source 51 comporte en plus une cavité résonnante mécanique 58 munie d'un moyen de couplage 59, notamment une boucle 60 terminant l'extrémité 61 d'un cible coaxial, ce qui permet la synchronisation du tube hyperfréquence 50 avec une source extérieure. R E V E N D I C A T I O N S 1. Source d'électrons comportant un solide (1) comprenant une première couche semi-conductrice (2) apte à libérer des électronssous l'action d'un champ électrique et des moyens (3) pour rendre au moins l'une de ses faces (4) partiellement transparente à au moins une partie desdits électrons libérés et permettre à cette partie d'électrons d'être éjectée dudit solide, caractérisée par le fait que ledit solide comporte en outre, entre ladite première couche (2) et sa face au moins partiellement transparente et au contact de ladite première couche, une deuxième couche (5) composite semi-conductrice instable ayant une structure à résistance différentielle négative, et que la source d'électrons comporte des moyens (6) pour former avec ladite première couche et ladite couche composite une cavité résonnante électrique. 2. Source d'électrons selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite deuxième couche (5) composite semi-conductrice instable ayant une résistance différentielle négative est choisie parmi les structures i double-barrière à effet tunnel résonnant et i effet d'avalanche et contr8le du temps de transit. 3. Source d'électrons selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que ladite structure est constituée d'un empilage d'une pluralité de couches secondaires (11-15) de matériaux + semi-conducteurs du type p 4. Source d'électrons selon la revendication 3, caractérisée par le fait que ladite pluralité de couches secondaires est au nombre de cinq. 5. Source d'électrons selon la revendication 4, caractérisée par le fait que les cinq couches secondaires sont respectivement constituées, pour les couches d'ordre un (11), trois (13) et cinq (15), par de l'Arséniure de Gallium, pour les couches d'ordre deux (12) et quatre (14), par de l'Alumino-Arséniure de Gallium. 6. Source d'électrons selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que lesdits moyens (3) pour rendre au moins une face dudit solide partiellement transparente à au moins une partie desdits électrons libérés dans ledit solide et pour permettre à cette partie d'électrons d'être éjectée dudit solide, sont constitués par une quatrième couche (40) de matériau à affinité électronique négative déposée sur ladite face du solide devant être rendue transparente. 7. Source d'électrons selon la revendication 6, caractérisée par le fait que ladite couche de matériau à affinité électronique négative (40) est constituée d'un matériau à base de Césium. 8. Source selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ladite première couche (2) est constituée + d'un matériau semi-conducteur de type n. 9. Source selon la revendication 8, caractéris6 par le fait + que ledit matériau semi-conducteur de type n est de l'Ars6niure de Gallium. 10. Source selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ledit solide comporte en outre une troisième couche (30) de matériau semi-conducteur disposée au contact de ladite deuxième couche (5) et que ladite source comporte des moyens (31) pour appliquer entre lesdites deuxième (5) et troisième (30) couches, une tension d'amplification par avalanche du nombre d'électrons libérés à partir desdites première (2) et deuxième (5) couches. 11. Source selon la revendication 10, caractérisée par le fait que ladite troisième couche (30) est une couche semi-conductrice + de type n. 12. Source selon la revendication 11, caractérisée par le fait que ladite troisième couche (30) est constituée par de l'Arséniure de Gallium. 13. Source selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle constitue la cathode (51) d'émission d'électrons pour un tube hyperfréquence (50). 14. Source selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte une pluralité de solides montés en parallèle.