<Desc/Clms Page number 1>
Perfectionnements aux complexes de semi-conducteurs électroni@@
On connaît des complexes de semi- conducteurs électroniques constitués par des solides formés par une agglomération de grains semi-conducteurs, par exemple des grains de carburas et d'un liant, par exemple un liant céramique; les grains sont plus ou moins en contact et disposés de manière à se trouver eh série ou en parallèle les uns avec les autres. L'agglomération est obtenue en général par compression suivie de cuisson à haute température. Ces oompo- sitions présentent, entre autres, la caractéristique
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
remarquable d'uneoonduotanoe électrique variant plus ou moins rapidement, en fonction de la tension appliquée à leurs bornes. Dans la technique, on les désigne sous le nom de résistances variables.
Oes complexes de semi-conducteurs éleo- troniques ont déjà trouvé d'assez larges applications comme limiteurs de surtensions, utilisés en association avec des éclateurs, dans les parafoudres, ou seuls, pour la protection des enroulements, pour faciliter la coupure des disjoncteurs, pour moduler le courant en métrologie, etc..
Toutefois, dans les réalisations actuellement connues, le taux de variation de la résistance, défini par l'exposant K de la tension dans l'expression ap- prochée oi-après:
EMI2.2
R :==### ( 1) 'ß' k où R est la résistance équivalente du complexe, # la tension aux bornes et A une constante, est encore assez limitée et ne dépasse guère 4 comme taux de variation moyen.
Or, des applications bien plus étendues de ces résistances pourraient être faites si le facteur k pouvait être encore notablement accru.
D'autre part, dans toutes les réalisait:¯ connues de oes oomplexes, on a cherché à réduire au minimum l'hystérésis électrique représentée sur une courbe tension- oourant (fig.l), par l'aire comprise entre le trait 1, corres- pondant à la tension croissante, et le trait 2, correspondant à la tension décroissante. On conçoit, en effet, qu'une hystérésis pourrait retarder l'action d'une résistanoe.et sa persistanoe provoquer un courant résiduel supplémentaire, entraînant une perte parasitaire d'énergie et gênant, ou
<Desc/Clms Page number 3>
empêchant même, l'extinction des éclateurs lorsqu' ils sont disposés en série.
Toutefois il en serait autrement si l'hystérésis était fugitive et si sa durée et son importance pouvaient être dosées, en quelque sorte, au moins entre certaines limites. On pourrait alors, sans inconvénient, mais au contraire, avec de multiples avantages, reoheroher des courbes tension-courant, telles que représentées à titre d'exemple purement indicatifs sur les fig.2a, b et c.
Les complexes fonctionnant suivant les fig. 2a et b se comporteraient qualitativement à l'instar d'une étincelle, s'en distinguant cependant une fois la décharge complètement établie (traits 4 sur les fig.2a et 2b) , parne inertie propre pratiquement négligeaole en raison des durées extrêmement faibles des parcours électroniques.
Ces complexes pourraient donc suivre les phénomènes variables, même aux ultra-hautes fréquences, avec une relativement très faible chute de tension aux bornes. L'hystérésis étant fugitive, son effet ne demeurerait entier que pour desphé- nomène s dont la durée globale ne dépasserait pas sa durée propre. Pour des phénomènes d'une durée plus longue, le complexe tendrait à reprendre ses caractéristiques initiales.
Ainsi, par exemple, la courbe 4 de la fig.2b se redresserait suivant 5 (tracé en pointillé), et ce trajet pourrait même, à la limite, se oonfondre pratiquement avec un tronçon du trajet 1.
La fig.So correspond soit à une hysté- résis ajustée pour une seule impulsion apériodique, la durée de l'hystérésis étant plus courte que oelle de l'impulsion, soit à un effet partiel de l'hystérésis; de la sorte, le trait 5 se confondant ici à peu près avec un tronçon du trait 1, sera atteint dès le premier cycle.
<Desc/Clms Page number 4>
Les possibilités d'application seraient nombreuses, grâoe aux caractéristiques définies ci-dessus. Ainsi les complexes caractérisés par des courbes tension-courant suivant les fig. 2a et b se prêtent parti- oulièrement bien à limiter les surtensions dont ils assurent la décharge, assurant une protection efficace avec un débit permanent infime. En conséquence, d'une part leur champ d'emploi sans éclateurs en série sera tendu; d'autre part en les associant avec des éclateurs, la capacité de décharge du complexe s'accroît notablement et la tâche de l'éclateur est facilitée.
Les complexes caractérisés par ces mêmes courbes conviennent aussi, tout spécialement, à la réalisation des oscillateurs pour émetteurs d'impulsions à grande puissance, jusqu'aux plus courtes longueurs d'ondes actuellement utilisées, conformément à la demande de brevet déposée en France le 28 Janvier 1947, par l'un des demandeurs de la présente M.S. Teszner, intitulée: "perfeotionnements aux oscillateurs des émetteurs d'impulsions".
Les complexes caractérisés par les courbes des fig.2b ut c facilitent beaucoup la réalisation des tops rectangulaires d'une forme très pure et d'une durée plus ou moins courte dans le modulateur des émetteurs d'impulsions suivant une autre demande de brevet français antérieure, du 27 Janvier 1947, du même demandeur, M.S.
Teazner,, pour "perfectionnements aux modulations des émetteurs d'impulsions".
Les exemples ci-dessus n'ont, évidemment aucun caractère limitatif et bien d'autres pourraient être envisagés. Ils suffisent cependant à montrer l'intérêt
<Desc/Clms Page number 5>
d'obtenir les caractéristiques susvisées. La présente invention a pour objet d'en fournir les moyens.
Elle consiste essentiellement à frabri- quer des agglomérés mettant on oeuvre les phénomènes d'émission électronique secondaire, la masse de ces complexes renfermant des semi-conducteurs électroniques et des centres d'émission d'électrons secondaires ayant une activité plus ou moins grande et plus ou moins prolongée. Ces centres sont excités par des électrons primaires émis sous la tension originelle appliquée au complexe.
On connaît les phénomènes d'émission secondaire et leurs applications déjà nombreuses, en parti- culier, aux tubes multiplicateurs d'électrons, phénomènes qui consistent en une émission d'électrons (secondaires) par des&ubstanoes frappées par des électrons (primaires) prove- nant d'une source extérieure. Pour la plupart des corps, le nombre des électrons secondaires est inférieur à celui des électrons primaires; cependant, pour certaines catégories de corps, le rapport du nombre des électrons secondaires à celui des électrons primaires est nettement supérieur à l'unité. Certains de oes corps sont mis à contribution dans la constitution des complexes de semi-conducteurs électronique- objets de la présente invention.
L'émission secondaire est normalement caractérisée par l'absence d'inertie appréciable; elle apparait et disparait de façon pratiquement simultanée avec le rayonnement primaire. L'intervention de tels phénomènes a pour effet, dans l'application considérée ici, d'élever dans des proportions plus ou moins considérables, 1* exposant k de la formule (1), sans provoquer de manifestations d'hystérésis fugitive, comme on l'a discuté ci-dessus.
<Desc/Clms Page number 6>
Par contre, en mettant à profit les propriétés de certains corps complexes qui, probablement par formation de charges positives à leur surface, donnent lieu à des phénomènes d'émission secondaire persistant bien au delà de la durée des phénomènes primaires, on obtient à la fois, un accroissement de l'exposant de variation k (et d'autant plus que le rapport est plus élevé), et un effet d'hystérésis fugitive recherché.
La première catégorie des corps (deux donnant une émission secondaire sans inertie appréciable) comprend, entre autres, des composés métalliques à structure cristalline, en particulier des halogénures et des oxydes alcalins, aloalinoterreux et des métaux légers (d'une densité inférieure à 5), en général, donnant un pouvoir émissif (rapporta ) élevé. Dans la deuxième catégorie des corps (donnant une émission sec ondaire plu s ou moins persistante), on comprend des substances complexes dont un composant au moin est doué d'un pouvoir émissif élevé.
Certains alliages métalliques se prêtent particulièrement bien à l'usage consi déré; de préférence au moins un constituant de l'a lliage est un métal aloalin, alcalino-terreux ou un métal léger, en général. D'autre part, de préférence également l'alliage subit avant l'emploi un traitement dit d'activation, par exemple un traitement thermique consistant en un ou plusieurs chauffages et refroidissements successifs en atmosphère oxydante.
La description qui suit, donnant un mode de constitution du complexe de semi-conducteurs électro- nique ainsi qu'une esquisse du mécanisme physique de fonctionnement de celui-ci, fera mieux comprendre le s
<Desc/Clms Page number 7>
modalités d' application et les avantages de l'invention.
Il est bien entendu, cependant .qu'elle fournit un exemple particulier de réalisation, les formes, les matériaux employés; ainsi que leurs modes d'utilisation pouvant varier sans pour cela sortir du oadre de l'invention tant que les principes énoncés ci-dessus sont appliqués.
La fig.3 donne une image schématisée en coupe à grande échelle d'un portion d'un tel complexe;
La fig.4 donne une image en coupe, à une échelle encore agrandie, d'une portion plus limitée du complexe, formée de manière à permettre une représentation schématique de son fonctionnement probable.
Sur la fig.3, A (grains hachurés) désigne les grains semi-conducteurs, par exemple en carbure de silicium, recouverts d'une couche de silice plus ou moins mince, partiellement en contact les uns avec les autres; B '-fond non hachuré) représente un liant isolant, par exemple à base d'argile;
0 sont les partioules d'un corps à pouvoir émissif secondaire élevé, par exemple des cristaux d'oxyde de gluoinium, lorsqu'il s'agit d'accroître simplement l'exposant k de variation de la résistance équivalente du complexe ou lorsqu'il s'agit d'obtenir égale- ment un effet fugitif d'hystérésis, d'un alliage, par exemple de cuivre ou de nickel et de gluoinium, ces particu- les ayant été soumises à un traitement d'aotivation appro- prié avant leur emploi. On voit que les particules 0 sont dispersées dans les interstices des grains A et enrobées par la masse isolante B.
La fabrication de tels complexes est réalisable suivant le processus habituel de fabrication des
<Desc/Clms Page number 8>
complexes de semi-conducteurs électroniques, à base de carbure de silicium par exemple. Toutefois, on préfère mélanger au préalable l'argile finement divisée avec les particules du corps émissif (oxyde de gluoinium ou, éventuellement, alliage de cuivre ou de nickel et de glucinum, suivant l'exemple considéré), de manière nrober celles-ci dans l'isolant. On distribue alors le semi-conducteur en continuant à mélanger l'ensemble.
On procède alors au mouilla- ge de la masse, tout en poursuivant le malaxage. Une fois atteint le taux convenable d'humidité, on procède au moulage sous pression de cette pâte, à la forme voulue ; onsèohe les pièces à l'état cru dans une étuve et on les cuit à une tempé- rature suffisante pour assurer la déshydratation de la masse, sans fondre ni combiner avec le liant la matière semi-conduo- trice, par exemple vers 1000 degrés centigrades. Enfin si l'on désire obtenir de bons contacts, on métallisé les parties du solide aggloméré, comme il vient d'être dit, qui doivent être en contact avec les conducteurs. On peut ainsi métalliser les faces opposées d'un solide en forme de disque ou les deux extrémités d'un solide en forme de tige.
Cette métallisation est obtenue, par exemple, par projection au pistolet, ou par tout moyen équivalent. Le fonctionnement supposé d'un tel complexe est le suivant:
La fig.4 en fournit l'dllustration schématisée. Supposons qu'une tension vienne.. d'âtre appliquée au complexe, le potentiel négatif étant, par exemple, situé vers le bas et le potentiel positif vers le haut de la figure.
Une différence de potentiel se produit alors entre chaque paire des grains A du complexe et cette différence du poten- tiel règne dans les interstices entre ces grains. Les
<Desc/Clms Page number 9>
particules du corps C sont dès lors chargées à des poten- tiels intermédiaires. Des électrons sont extraits de chaque grain A et, d'une part, passent au grain adjacent tel que A' à travers les couches siliceuses recouvrant A et A', si ces grains sont en contact; d'autre part, d'autres électrons traversent la pellicule du liant B viennent frapper la par- ticule G la plus proohe, et en déterminent l'émission secon- daire.
Les électrons secondaires formés et des électrons primaires extraits directement de la particule considérée sont alors en partie entrainés par le champ électrique régnant dans l'interstice, sur une particule suivante, qui est, par ailleurs, soumise également à un bombardement par électrons primaires venant d'un autre eud'autres grains A. Il en résulte une nouvelle émission secondaire, etc.. Sur la fig.4, les flèches indiquent les circulations d'électrons primaires et secondaires; on voit qu'il tend à se former de la sorte une véritable avalanche d'électrons et une baisse profonde de la résistance équivalente du complexe.
Si les particules 0 donnent lieu à une émission secondaire sans inertie appréciable l'intensité de @ leur émission sera pratiquement, à tout instant, fonction de l'intensité de l'émission primaire, les deux émissions étant pratiquement synchrones. Cela impose aux bornes du complexe une tension minimum relativement élevée; en définitive, le processus se traduit sur la courbe pension- courant du complexe, par un accroissement de l'exposant k, sans manifestation notable d'un phénomène d'hystérésis complémentaire.
Par contre, si l'émission secondaire des particules C persiste, plus ou moins complètement, après
<Desc/Clms Page number 10>
la disparition ou après l'atténuation notable de l'émission primaire, l'intensité du courant peut s'accroître ou, du moins demeurer constante, alors que la tension aux bornes baisse profondément. La tension pendant la décharge sera, dans ce oas, considérablement inférieure à sa tension d'amorçage. Il en résulte un phénomène d'hystérésis d'un effet plus ou moins accusé, en fonction de l'écart de ces tensions et plus ou moins persistant, en fonction de l'inertie de l'émission secondaire.
Revenant à la courbe de la fig.2a, on remarque qur le traoé 1 correspond à l'établissement, aux bornes du complexe, de la tension d'amorçage nécessaire au déclanohement de l'émission primaire ; le trait 2, au déve- loppement violent de l'émission secondaire qui persiste malgré la baisse de la tension globale; suivant le trait 4, la tension continuant à tomber jusqu'à une valeur relative- ment faible, le courant finit par baisser également pour revenir finalement au zéro avec la tension.
La fig.2b ne diffère de la précédente que par le rapport de l'émission secondaire à la variation de la tension aux bornes du complexe; suivant le trait 2, l'émission secondaire s'amorçant, la tension aux bornes cesse de monter, le courant augmentant rapidement; suivant le trait 3 , l'émission secondaire se développe, mais le courant étant limité par une impédance extérieure, la tension aux bornes tombe brusquement; ensuite le trait 4/a prati- quement la même allure que le trait 4 de la fig. 2a. Quant au trait 5, il a déjà été signalé qu' il correspond au cas où la source conserve une tension résiduelle de plus longue durée que l'hystérésis de complexe.
Dès lors, l'émission
<Desc/Clms Page number 11>
secondaire cessant, le courant tomberait plus ou moins brusquement et la tension remonterait se rapproohant du trait 1 de la courbe.
Enfin sur la fig. 2c, la dorée de l'hystérésis est courte vis à vis de celle du phénomène principal. De la sorte, la tension après un décrochement suivant le trait 3, cesse prati quement de baisser, mais le courant diminuant suivant le trait 4, la courbe vient sensiblement rejoindre suivant 5 le tronçon inférieur du trait 1.
Il est utile de faire ressortir la remarquable faculté d'adaptation des complexes suivant l'invention, les caractéristiques de ceux-ci étant, princi- palement fonction, entre autres, de la quantité des parti- oules à émission secondaire distribuées par unité de volume du complexe, des dimensions de ces particules, de leur coefficient d'émission secondaire, de l'inertie de cette émission et des autres facteurs connus qui influent sur les propriétés des complexes des semi-conducteurs électroniques usuels, en particulier les caractéristiques des grains semi- oonduoteurs A et du liant isolant B.
On conçoit qu'en disposant de tels facteurs complémentaires d'un effet particulièrement marqué, on puisse faire varier, dans de très larges limites, les caractéristiques des complexes et, par suite, étendre consi- dérablement leur champ d'application. n Particulier, on peut utiliser comme semi-conducteurs des sulfures, carbures, silioiures, phosphures, arséniures, etc..., comme émetteurs d'électrons des oxydes de métaux alcalino-terreux ou rares (Ba, Sr, Mg, Be, La, Ce, Pr, etc..); comme liants isolants des céramiques, des verres, des émaux, l'agglomération étant effectuée par exemple par la technique de frittage.