Brevet FR2682812A1 — publié le 19930423

Dans les domaines VHF et UHF, on utilise souvent des tétrodes à transistors à effet de champ dans les circuits d'entrée, les circuits amplificateurs et les circuits mélangeurs La tétrode est habituellement constituée de deux transistors à effet de champ à canal N, autoconducteurs, de type à appauvrissement, qui sont intégrés dans un montage en cascode o l'électrode de drain du premier transistor à effet de champ forme en même temps l'électrode de source du second transistor à effet de champ; cette électrode commune est appelée "ilôt" et la région de semi-conducteur commune corres- pondante des deux transistors est appelée "région d'ilôt"'. Pour bloquer de telles tétrodes, le potentiel sur l'électrode de grille doit être négatif par rapport au potentiel sur l'électrode de source; on y parvient habituellement par une résistance entre l'électrode de source et le potentiel de référence, par laquelle le potentiel de la source est relevé Par cette résistance de source, on ajuste en même temps le point de fonc- tionnement de la tétrode et celle-ci est stabilisée dans un domaine relativement grand par la compensation de fluctuations de température ainsi que de dispersions dans la tension de seuil des deux transistors à effet de champ Cependant, pour les application de haute fré- quence, cette résistance de source doit être shuntée par un condensateur d'une capacité relativement grande (quelques n F); or, ce condensateur ne peut pas être intégré dans le dispositif semi-conducteur, mais doit être prévu à l'extérieur et raccordé à une broche de connexion séparée De plus, la chute de tension produite par la résistance de source, complique la réduction - fréquemment désirée de la tension d'alimentation du dispositif semi-conducteur (par exemple à 5 V). Le but de l'invention est d'indiquer un dispositif semi- conducteur comprenant une tétrode intégrée dans un corps semi- conducteur et constituée de deux transistors à effet de champ possédant une région de semi-conducteur commune qui forme l'électrode de drain du premier transistor à effet de champ et l'élec- trode de source du second transistor à effet de champ, dispositif avec lequel les inconvénients dus à la résistance de source puissent être évités et les effets positifs de cette résistance puissent en même temps être conservés. Selon l'invention, on obtient ce résultat par le fait que le dispositif semi-conducteur comporte, en tant qu'organe de rétroaction, un dispositif tripolaire intégré dans le corps semi-conducteur, que l'entrée du dispositif tripolaire est reliée à la région de semi- conducteur commune de la têtrode et que la sortie du dispositif tripolaire est reliée à la région de semi- conducteur formant l'électrode de grille du premier transistor à effet de champ de la tétrode. Pour ajuster le point de fonctionnement de la tétrode ainsi que pour la stabilisation de celle-ci, on a prévu dans le dispositif semi-conducteur un dispositif tripolaire agissant comme un organe de rétroaction et qui est intégré dans le même corps semi-conducteur que la tétrode constituée des transistors à effet de champ. Le potentiel de commande pour l'organe de rétroaction est prélevé sur l'électrode commune (ilôt) des deux transistors à effet de champ de la tétrode et n'est pas généré par une résistance de source, laquelle n'est plus nécessaire Cette électrode commune, ou la région de semi- conducteur commune des deux transistors à effet de champ de la tétrode (région d'ilôt), est reliée à l'entrée du dispositif tripolaire dont la sortie est reliée de préférence à travers une résistance à l'électrode de grille, formant l'entrée de circuit du dispositif semi- conducteur, du premier transistor à effet de champ de la tétrode. Le dispositif tripolaire comporte un disposi- tif formant un diviseur de tension dont la première borne constitue l'entrée du dispositif tripolaire et dont l'autre borne est reliée au potentiel de référence. La borne commune ou prise peut au cas o le dispositif tripolaire est réalisé comme un dispositif potentio- métrique pur former la sortie du dispositif tripolaire ou alors, au cas o ce dernier comporte en outre un élément actif (un transistor par exemple), être reliée à l'entrée de cet élément actif (par exemple à l'électrode de base ou de grille d'un transistor, la sortie de l'élément actif (l'électrode d'émetteur ou de collecteur ou l'électrode de source ou de drain du transistor suivant le type et le montage) formant alors la sortie du dispositif tripolaire A l'aide du potentiel de commande prélevé sur la région d'ilôt de la tétrode, on ajuste au moyen du diviseur de tension du dispositif tripolaire une tension de polarisation appropriée, laquelle est comprise entre le potentiel de référence et le potentiel de l'ilôt Comme la sortie du dispositif tripolaire est reliée à l'électrode de grille du premier transistor à effet de champ de la tétrode, par exemple à travers une résistance, cette liaison fixe le point de fonctionnement de la tétrode Lors d'un changement du courant de drain de la tétrode, le potentiel sur la région d'ilôt change; par exemple, ce potentiel diminue à mesure que le courant de drain augmente Le dispositif tripolaire détecte ce changement de potentiel, le traite et rajuste le point de fonctionnement de la tétrode Le dispositif tripolaire, en tant qu'organe de rétroaction, a par conséquent un effet stabilisateur sur le point de fonctionnement de la tétrode. Au cas o le dispositif tripolaire comporte un élément actif alimenté par le potentiel sur la région d'ilôt -, la conductivité de cet élément est changée en fonction du potentiel sur la région d'ilôt; des variations du courant de drain de la tétrode sont de ce fait réinjectées de façon amplifiée, de sorte qu'on obtient une régulation automatique très sensible pour le rajustement du point de fonctionnement de la tétrode La 5 tension d'alimentation pour l'élément actif peut, le cas échéant, être prélevée aussi de la région de drain de la tétrode à transistors. Le mécanisme de réglage décrit élimine auto- matiquement les effets de fluctuations de température et de dispersions dans la tension de seuil des transistors sur le point de fonctionnement de la tétrode Les avantages de la résistance de source, c'est-à-dire ses effets positifs, sont donc obtenus également sans cette résistance par le dispositif semi- conducteur selon l'invention Toutefois, la suppression de la résistance de source procure d'autres avantages encore au disposi- tif semi-conducteur selon l'invention: l'intégration monolithique de l'ensemble du disposi- tif semi-conducteur dans un circuit intégré est considérablement facilitée, surtout parce que l'on peut se dispenser maintenant du condensateur de grande surface, le point de fonctionnement de la tétrode peut être ajusté sans faire appel à une tension d'alimentation supplémentaire, le nombre total des connexions extérieures du dispo- sitif semi-conducteur, ou du circuit intégré, est limité à quatre (au nombre de connexions nécessaires pour le circuit à tétrode proprement dit), la tension de service du dispositif semi-conducteur peut être réduite puisqu'une chute de tension par la résistance de source ne peut plus se produire. Les tétrodes constituées de transistors à effet de champ sont généralement utilisées à un courant de drain de quelques m A (par exemple 10 m A) Comme il n'y a plus de résistance de source, la tension de seuil de la tétrode à transistors à effet de champ doit être ajustée, par exemple par une implantation ionique, de manière que les deux transistors à effet de champ soient de type autobloquant à enrichissement; le potentiel de la région d'ilôt correspond alors presque au potentiel de l'électrode de grille du second transistor à effet de champ de la tétrode ou est légèrement inférieur à ce potentiel lors de la circulation d'un courant -, poten- tiel de l'électrode de grille qui est généralement ajusté toujours, dans la plage de fonctionnement de la tétrode, au-dessus du potentiel de l'électrode de grille du premier transistor à effet de champ de la tétrode. Les transistors de la tétrode sont notamment de type MOS. Le dispositif tripolaire, agissant comme un organe de rétroaction, peut être réalisé dans le cas le plus simple comme un dispositif potentiométrique cons- titué d'au moins deux résistances L'entrée du disposi- tif tripolaire peut être formée alors par la première borne de la première résistance du diviseur de tension, la première borne de la deuxième résistance du diviseur peut être reliée au potentiel de référence et la deu- xième borne commune des deux résistances du diviseur peut former la sortie du dispositif tripolaire. Il est possible aussi, par exemple, de réa- liser le dispositif tripolaire comme la combinaison d'un dispositif potentiométrique et d'un élément actif, d'un transistor à effet de champ ou d'un transistor bipolaire par exemple, dont la conductivité peut être commandée. La deuxième borne commune des deux résistances du diviseur de tension peut alors être reliée à la région semi-conductrice formant l'entrée de commande de l'élé- ment actif et la région de semi-conducteur formant la sortie de l'élément actif peut constituer la sortie du dispositif tripolaire. Au cas o l'élément actif est un transistor, le type et le montage de ce transistor doivent être choisis de manière que la variation du potentiel de l'ilôt, variation qui est amplifiée par le transistor, apparaisse à la sortie de celui-ci, à laquelle est raccordée la liaison de rétroaction menant à l'électrode de grille du premier transistor à effet de champ de la tétrode. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion qui va suivre de deux exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés Dans un premier mode de réalisation, le dispositif tripolaire est constitué d'un diviseur de tension composé de deux résistances, tandis que, dans le deuxième mode de réalisation, ce dispositif est réalisé comme la combi- naison d'un diviseur de tension (dispositif potentio- métrique) et d'un transistor MOS comme élément actif. Sur les dessins: la figure 1 montre le schéma d'un dispositif semi-conducteur comprenant la tétrode et le dispositif tripolaire formé seulement de résistances; la figure 2 est une vue en perspective et en coupe de ce dispositif semi-conducteur; la figure 3 représente le schéma d'un dispositif semi-conducteur comprenant la tétrode et un dispositif tripolaire avec un transistor MOS; et la figure 4 est une vue en perspective et en coupe de ce dispositif semi-conducteur. Selon le schéma de principe montré par la figure 1, une tétrode 1, intégrée dans un circuit intégré IC, est formée de deux transistors à effet de champ T 1 et T 2 dans un montage o l'électrode de grille G 1 du premier transistor à effet de champ T 1 sert d'entrée de circuit E du circuit intégré IC et l'élec- trode de grille G 2 du second transistor à effet de champ Tl sert d'entrée de commande St E du circuit intégré IC pour la régulation de l'amplification L'électrode de source 51 du premier transistor T 1 est raccordée au potentiel de référence GND (la masse) et l'électrode de drain D 2 du second transistor T 2 forme la sortie de circuit A du circuit intégré IC Les deux transistors à effet de champ T 1 et T 2 possèdent une électrode d'ilôt commune I qui est en même temps l'électrode de drain Dl du premier transistor T et l'électrode de source 52 du second transistor T 2 * L'électrode d'ilôt I est reliée à la première borne, formant l'entrée E 3 du dispositif tripolaire, de la première résistance R 1 du diviseur de tension 3 La prise du diviseur 3, formant la sortie A 3 du dispositif tripolaire 2, est reliée à travers la résistance R 3 à l'électrode de grille G du premier transistor T 1 de la tétrode 1 (plus précisément à la région de semi-conducteur 6 formant l'électrode de grille G 1, voir également la figure 2) et est raccordée à travers la deuxième résistance R 2 du diviseur de tension 3 au potentiel de référence GND Ainsi, le circuit intégré IC possède seulement quatre broches pour les connexions extérieures, formant respectivement l'entrée du circuit E, l'entrée de commande St E, la sortie du circuit A et la broche de raccordement pour le potentiel de référence GND. Suivant la valeur ohmique des deux résistances R 1 et R 2 du diviseur de tension 3, le potentiel sur l'électrode de grille G 1 de la tétrode 1 est relevé plus ou moins fortement par la résistance R 3 Il devient ainsi possible d'une part d'ajuster le point de fonc- tionnement de la tétrode et, d'autre part, des in- fluences de fluctuations de la température sur le courant de drain ainsi que des dispersions dans la tension de seuil, sont couplées en réaction à l'élec- trode de grille G 1 par suite des variations qui en résultent dans le potentiel de l'électrode d'ilôt I -, ce qui produit à son tour un rajustement du courant de drain Les résistances R 1 à R 3 doivent avoir des valeurs de résistance élevées, par exemple de quelques k Q à quelques centaines de ko, afin qu'elles ne provoquent pas de perturbations en cas d'applications à haute Lréquence. La figure 2 montre schématiquement une coupe du dispositif semi-conducteur, dans lequel la tétrode 1, constituée de deux transistors à effet de champ MOS à canal N, et le dispositif tripolaire 2, constitué de deux résistances, sont intégrés ensemble avec la résis- tance R 3 dans un corps semi-conducteur 14 commun. La mise en contact avec la région de source 4 du premier transistor à effet de champ T 1 de la tétrode 1 est réalisée par le contact de source 5; la mise en contact avec les deux régions de grille 6 et 10 des deux transistors T 1 et T 2 de la tétrode est réalisée par les contacts de grille 7 et Il et la mise en contact avec la région de drain 12 du second transistor à effet de champ T 2 de la tétrode 1 est réalisée par le contact de drain 13 Les deux transistors T 1 et T 2 sont interconnectés dans un montage en cascode à travers la région d'ilôt 8; cette région 8 et les zones de raccordement de la région de drain 12 et de la région de source 4 aux deux régions de grille 6 et 10 formant les canaux N sont moins profondes que la région de drain 12 et la région de source 4 La mise en contact avec la région d'ilôt 8 s'effectue par le contact d 'ilôt 9, pouvant être fabri- qué par exemple au moyen d'une diffusion de contact, du même type de conductivité que la région d'ilôt 8 De plus, la figure 2 montre encore les résistances R 1 à R 3 dont il a été question dans la description de la figure 1 et qui portent ici les référence 22, 23 et 24 Ces résistances 22 à 24 sont réalisées par exemple comme des résistances en polysilicium sur la couche isolante 15 recouvrant le corps semi-conducteur 14 et reliées respectivement, de la façon illustrée, au contact d'ilôt 9, au contact de grille et au contact de source 5. Selon le schéma de principe de la figure 3, le dispositif purement potentiométrique de la figure 1 est complété par un élément actif sous la forme d'un tran- sistor à effet de champ T 3 Il peut s'agit notamment d'un transistor à effet de champ MOS du même type de conductivité que les deux transistors à effet de champ T 1 et T 2 de la tétrode L'électrode de grille G 3 du transistor T 3 est réliée à la prise du diviseur de tension 3 composé des deux résistances Ri et R 2 * L'élec- trode d'ilôt I est reliée par la résistance R 1 du diviseur 3 à l'électrode de grille G 3 du transistor T 3 et par la résistance R 5 à l'électrode de drain D 3 du transistor T 3 Ainsi, la sortie D 3 de l'élément actif T 3 du dispositif tripolaire 2 est reliée par une résistance R 5 à l'entrée E 3 du dispositif tripolaire 2 et par la même résistance R 5 à la sortie-drain D 2 du second transistor T 2 de la tétrode 1 en vue de l'alimentation. L'électrode de source 53 du transistor T 3 est reliée à travers la résistance R 4 à l'électrode de source S du premier transistor T 1 de la tétrode, électrode de source qui est connectée au potentiel de référence GND L'élec- trode de drain D 3 du transistor T 3 est reliée en outre à travers la résistance R 3 à l'électrode de grille G 1 du premier transistor T 1 de la tétrode. Le point de fonctionnement de la tétrode 1 est ajusté au moyen de la résistance R 3 par le biais de la commande de la conductivité du transistor à effet de champ T 3, à l'aide des résistance R 1 et R 2 du diviseur de tension 3 et au moyen du potentiel d'ilôt mis à disposition en tant que tension d'alimentation à travers la résistance R 5 Des variations du courant de drain de la tétrode 1, provoquées par exemple par des changements35 de température ou par des dispersions des tensions de seuil, provoquent des fluctuations de sens contraire - du potentiel d'ilôt; ces fluctuations sont transmises à travers la résistance R à l'entrée-grille G 3 et, simultanément, à travers la résistance R 5, à la sortie- drain D 3 du transistor T 3 Comme ce transistor est disposé conformément à l'invention sur le même corps semi-conducteur que la tétrode 1 et à proximité de celle-ci, la conductivité du transistor T 3 changera aussi et influencera également en sens contraire le potentiel sur la sortie-drain D 3 du transistor T 3 En même temps, le changement de la chute de tension pro- duite par la résistance de source R 4 et le changement qui y est lié dans la différence de potentiel entre l'électrode de grille G 3 et l'électrode de source 53 produisent certes un effet de réglage en sens contraire; cependant, celui-ci peut être affaibli à tel point, par un choix adéquat de la combinaison de résistances, que le potentiel nécessaire à la régulation-rajustement de la tétrode 1 s'établit automatiquement sur la sortie- drain D 3 du transistor T 3 et par suite également sur l'électrode de grille G 1 de la tétrode 1 En cas d'uti- lisation d'un transistor bipolaire comme élément actif dans le dispositif tripolaire, le comportement de réglage n'est pas affecté, de sorte que les fluctuations du potentiel d'ilôt peuvent être prélevées de façon amplifiée, si la sortie du transistor est conçue conve- nablement, et peuvent être appliquées à travers la résistance R 3 à l'électrode de grille G 1 de la tétrode 1. Les influences de variations de la température sur le courant de drain, ainsi que des dispersions dues à la fabrication dans la tension de seuil, sont com- pensées dans une large mesure par le mécanisme de réglage et égalisées automatiquement, de sorte que le point de fonctionnement de la tétrode est stabilisé automatiquement Le dimensionnement du transistor à effet de champ T 3 du dispositif tripolaire 2 par exemple la pente de ce transistor et sa tension de seuil depend de chaque application; le plus souvent, il sera cependant possible de choisir des valeurs analogues à celles utilisées pour les deux transistors à effet de champ T 1 et T de la tétrode 1 Les valeurs ohmiques des résistances R 1 à R 5 doivent être être du même ordre de grandeur que les valeurs ohmiques des résistances R 1 à R 3 sur la figure 1. La figure 4 est une vue en perspective et en coupe schématique d'un dispositif semi-conducteur dans lequel le circuit montré par la figure 3 est intégré sur un corps semi-conducteur 14 commun Les différentes régions de semi-conducteur de la tétrode et leurs connexions pour la mise en contact portent les mêmes références que sur la figure 2. La région de source 16 du transistor à effet de champ T 3 est connectée à travers le contact de source 17, la région de drain 20 à travers le contact de drain 21 et la région de grille 18 à travers le contact de grille 19 Les résistances R 1 à R 5 sont désignées res- pectivement par les références 22, 23, 24, 25 et 26 et sont reliées conformément au schéma de la figure 3 aux régions de contact correspondantes des transistors à effet de champ T 1, T 2 et T 3. REVENDICATIONS 1 Dispositif semi-conducteur comprenant une tétrode ( 1) intégrée dans un corps semi-conducteur ( 14) et constituée de deux transistors à effet de champ (T 1, T 2) possédant une région de semi- conducteur ( 8) commune qui forme l'électrode de drain (D 1) du premier transis- tor à effet de champ (T 1) et l'électrode de source ( 52) du second transistor à effet ce champ (T 2), caractérisé en ce qu'il comporte, en tant qu'organe de rétroaction, un dispositif tripolaire ( 2) intégré dans le corps semi-conducteur ( 14), que l'entrée (E 3) du dispositif tripolaire ( 2) est reliée à la région de semi-conducteur commune ( 8) de la tétrode ( 1) et que la sortie (A 3 > du dispositif tripolaire ( 2) est reliée à la région de semi-conducteur ( 6) formant l'électrode de grille (G 1 > du premier transistor à effet de champ (T 1) de la tétrode ( 1). 2 Dispositif semi-conducteur selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la sortie (A 3) du dispositif tripolaire ( 2) est reliée à travers une résistance (R 3) à la région de semi-conducteur ( 6) formant l'électrode de grille (G 1) du premier transistor à effet de champ (T 1) de la tétrode ( 1). 3 Dispositif semi-conducteur selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérise en ce que les deux transis- tors à effet de champ (T 1, T 2) de la tétrode ( 1) sont des transistors MOS de type autobloquant à enrichisse- ment. 4 Dispositif semi-conducteur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif tripolaire ( 2) comporte un diviseur de tension ( 3) composé d'au moins deux résistances (R 1, R 2) et que l'entrée (E 3) du dispositif tripolaire ( 2) est formée par la première borne de la première résistance (R 1) du diviseur de tension ( 3). Dispositif semi-conducteur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première borne de la deuxième résistance (R 2) du diviseur de tension ( 3) est reliée au potentiel de référence (GND>. 6 Dispositif semi-conducteur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la deuxième borne commune des deux résistances (Ri, R 2) du diviseur de tension ( 3) forme la sortie (A 3) du dispositif tripolaire ( 2 >. 7 Dispositif semi-conducteur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif tripolaire ( 2) comporte un élément actif (T 3) dont la conductivité peut être commandée et que la deuxième borne commune des deux résistances (R 1, R 2) du diviseur de tension ( 3) est reliée à la région de semi-conducteur ( 18) formant l'entrée de commande (G 3) de l'élément actif (T 3). 8 Dispositif semi-conducteur selon la revendi- cation 7, caractérisé en ce que la région de semi-con- ducteur ( 20) formant la sortie (D 3) de l'élément actif (T 3) constitue la sortie (A 3) du dispositif tripolaire ( 2). 9 Dispositif semi-conducteur selon la revendi- cation 7 ou 8, caractérisé en ce que la sortie (D 3) de l'élément actif (T 3) du dispositif tripolaire ( 2 > est reliée à travers une résistance (R 5) à l'entrée (E 3) du dispositif tripolaire ( 2). Dispositif semi-conducteur selon la revendi- cation 7 ou 8, caractérisé en ce que la sortie (D 3) de l'élément actif (T 3) du dispositif tripolaire ( 2) est reliée à travers une résistance (R 5) à la sortie formée par le drain (D 2) du second transistor à effet de champ (T 2) de la tétrode ( 1) en vue de l'alimentation. 11 Dispositif semi-conducteur selon l'une quel- conque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'élément actif (T 3) du dispositif tripolaire ( 2) est un transistor à effet de champ. 12 Dispositif semi-conducteur selon la revendi- cation 11, caractérisé en ce que le transistor à effet de champ (T 3) est un transistor MOS qui présente le même type de conductivité que les deux transistors à effet de champ (T 1, T 2) formant la tétrode. 13 Dispositif semi-conducteur selon l'une quel- conque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'élément actif (T 3) du dispositif tripolaire ( 2) est un transistor bipolaire.