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ELEMENT DE CIRCUIT ELECTRIQUE DU TYPE SEMI-CONDUCTEUR
La présente invention est relative à des redresseurs du type à contact, et elle concerne plus particulièrement la mise en oeuvre des phénomènes de semi-conduction, tels que ceux fournis par des ca- thodes thermoioniques du type à revêtement d'oxyde.
- La théorie de l'émission des électrons à partir de cathodes revêtues d'oxyde n'est pas encore complètement connue, bien qu'il soit de plus en plus établi que les phénomènes d'émission observés sont ceux auxquels on devrait s'attendre si le revêtement de cathode était considéré comme un semi-conducteur de type analogue aux surfa- -oes de certains éléments plus familiers des redresseurs. Les tra- vaux sur l'émission à partir de cathodes revêtues d'oxyde nous ont conduit à la conclusion qu'une telle cathode, lorsqu'elle est chauf- fée, devrait présenter certains des phénomènes de contact observés
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dans le cas de redresseurs, et en particulier qu'elle devrait se comporter d'une façon analogue à celle des redresseurs à cristaux, tels que ceux utilisés dans les circuits radio à haute fréquence.
On a découvert que ces conclusions étaient, au moins par- tiellement, confirmées par l'expérience. En conséquence, la pré- sente invention prévoit notamment un élément de circuit électrique d'un type semi-conducteur comportant un élément conducteur ayant des moyens d'émission d'électrons par revêtement d'oxyde, tels qu'un élément de chauffage intérieur destiné à chauffer le dit revêtement pour le rendre thermoioniquement émetteur, et un ou plusieurs élé- ments placés en contact avec le dit revêtement.
L'invention sera décrite en se référant aux dessins ci- joints, dans lesquels :
La figure 1 montre un graphique illustrant les caractéris- tiques voltage-courant d'un type classique de redresseurs à cristal et d'un redresseur à contact thermoionique suivant la présente in- vention ;
La figure 2 montre un exemple de réalisation d'un redresseur mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention;
La figure 3 montre une caractéristique de redresseur obtenue en chauffant un élément de sonde dans un dispositif comportant des caractéristiques de l'invention;
Les figures 4,5 et 6 montrent un exemple de réalisation d'une forme modifiée; de redresseur suivant la présente invention;
La figure 7 montre une modification des exemples de réalisa- tion des figures 4 à 6.
Par exemple si un morceau de cristal de germanium maintenu dans un support fournissant une connexion électrique vers un cir- cuit extérieur, et si un petit élément de sonde, appelé parfois "moustache de chat", fournissant une seconde borne, sont pressés contre la surface du cristal, il est alors bien connu que le courant qui passe à travers le cristal suit une loi non linéaire en fonction du voltage appliqué à ces bornes.
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La courbe de la figure 1, à laquelle l'échelle d'ordon- nées de gauche se rapporte, montre une courbe caractéristique pour un cristal typique. Lorsque la sonde est polarisée positi- vement par rapport au support, le courant est approximativement linéaire par des différences de potentiel excédant environ 0,3 volt , le courant atteignant 20 milLiampères pour 2 volts. Pour des voltages positifs de sonde au-dessous de 0,3 volt, le courant est approximativement proportionnel à la puissance 3/2 de la dif- férence de potentiel appliquée , tandis que pour des voltages néga -tifs le courant inverse peut être imperceptible comparé au cou- rant direct pour des voltages positifs correspondants. Mais lors- que le voltage négatif est augmenté, le courant inverse augmente plus que proportionnellement pour l'augmentation du voltage négatif.
Certains types de cristaux de germanium présentent une ca- ractéristique de résistance négative pour des courants inverses plus grands ; discussion présente ne concerne pas de tels phé- nomènes de semi-c onduction.
On a découvert que si une sonde est placée en contact avec le revêtement émetteur d'une cathode bien connue à chauffage indi- rect, le revêtement étant formé d'un mélange classique de carbonate de baryum, de strontium et de calcium, lorsque la cathode est chauf- -fée à sa température normale de fonctionnement qui est aux environs de 1.000 Kelvin, la sonde et la cathode présentent une caractéris- tique de redresseur, telle que représentée par la courbe 2 de la figure 1 à la quelle les ordonnées de droite se rapportent. Avec la sonde polarisée positivement par rapport au manchon de cathode, une loi normale en puissance 3/2 entre le courant et le voltage appliqué-. est obtenue, cette loi étant similaire à celle d'un cristal, mais présentant une impédance plus élevée.
Pour des polarités négatives de la sonde aucun courant inverse appréciable n'est obtenu. par exemple pour des voltages de la sonde de moins 120 volts le courant inverse est de l'ordre d'un microampère comparé à quelques 3 milli- ampères pour un bon cristal de germanium.
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Il apparaît, en conséquence, que l'emploi d'une cathode à chauffage indirect à revêtement d'oxyde, en relation avec une électrode sonde faisant contact avec la surface revêtue,fournit un nouveau dispositif de redresseur à contact, tel que les redres- seurs au silicium et au germanium, et a une meilleure caractéris- tique de courant inverse.
Un exemple de réalisation d'un redresseur mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention est représenté schématiquement dans la figure 2, dans laquelle la cathode à chauffage indirect 3 est montée à l'aide d'isolateurs d'espacement 4 et 5, d'une façon bien connue, sur une presse 6 placée dans l'enveloppe 7 du disposi- tif. La cathode 3 comprend un manchon en nickel 8 enfermant un élé- ment de chauffage 9 et comportant un revêtement 10 d'un mélange des oxydes mentionnés oi-dessus. Une des tiges de support 11, portant les isolateurs 4 et 5, possède un petit fil sonde 12 de tungstène ou d'autre substance convenablement rigide. La sonde est prêféra- blement pourvue d'une boucle 13 de façon qu'elle puisse presser contre la couche d'oxyde 10.
On a trouvé qu'un fil de tungstène, de 0,13 mm de diamètre, combine la rigidité nécessaire tout en main -tenant une pression constante sur la couche d'oxyde. Afin que la couche émettrice puisse être plus aisément rendue active pendant la fabrication, une anode 14 est prévue avec une ouverture pour le passage de la sonde 12. Si on le désire, une grille de contr6le indiquée en 15 peut aussi être placée entre les électrodes cathode et anode . Il est indiqué que la grille 15 est représentée purement schématiquement sur le dessin, et que les variantes d'arrangement d'électrodes évidentes pour les experts peuvent être prévues pour utiliser l'émission thermoionique de la cathode 10. Ainsi des par- ties émissives séparées peuvent aisément être prévues sur le manchon de cathode.
Il doit être noté que la courbe 1 de la figure 1 a été ob- tenue lorsque la cathode était chauffée à la température normale d'émission de 1.000 Kelvin (température absolue). Des résultats satisfaisants peuvent être obtenus avec des températures de cathode
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plus basses, lorsque simplement la pente de la caractéristique avant est affectée, comme représenté dans la figure 1 par la courbe 2'.
Aveo le type de construction représenté dans la figure 2, il a été trouvé que le courant direct maximum, qui peut passer à travers le dispositif, est limité par la charge de la cathode, la- quelle doit être restreinte au même ordre de grandeur que celle, qui peut être obtenue pour une émission thermoionique normale.Ain- si avec une sonde de 0,13 mm de diamètre, des courants continus de l'ordre de 25 milliampères peuvent être transmis. Le diamètre de la sonde ne doit pas diminuer jusqu'à une valeur telle que la sonde soit appréciablement chauffée, car, comme il sera exposé plus loin, de nouveaux phénomènes apparaîtraient.
Le voltage inverse limité dans un redresseur, suivant les caractéristiques de l'invention, dépend de la température de cathode (et par suite le courant inver- se au contact de la sonde), ainsi que du voltage de rupture de la couché d'oxyde. Avec de petits courants de l'ordre de 1 micro- ampère, qui peuvent être obtenus avec des exemples de réalisation de l'invention, on applique des voltages inverses excédant 150 volts sans dommage.
Il sera évident pour l'homme de l'art qu'il peut y avoir un grand nombre d'usages pour des redresseurs suivant la présente invention. Un de ces usages est l'emploi d'un tel redresseur comme détecteur de micro-ondes au lieu d'un cristal, tandis qu'un autre usage est son emploi dans un récepteur radio-électrique, l'électrode revêtue d'oxyde servant aussi de cathode pour un tube thermoionique normal. Le circuit est analogue à un circuit utilisant un tube thermoionique diode-triode, le détecteur diode thermoionique étant remplacé par le redresseur thermoionique à contact, suivant la pré- sente invention.
En revenant maintenant à la discussion des cristaux on a trouvé récemment qu'un cristal de germanium peut fonctionner dans lu région des courants inverses, et qu'une seconde sonde (indiquée ici comme électrode émettrice), polarisée légèrement positivement
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par rapport au réceptacle du cristal, peut être maintenue en con- tact avec le cristal au voisinage de la première sonde (indiquée ici comme électrode collectrice). Un changement dans le voltage appliqué à l'électrode émettrice altère profondément la conducti- vité du chemin dans le cristal dans le circuit de l'électrode col- lectrice.
Ainsi, si une force électro-motrice alternative est ap- pliquée sur le circuit émetteur, une force électromotrice alterna- tive correspondante apparaît dans le circuit collecteur, la puissan- ce à courant alternatif dans le circuit collecteur étant plus gram- de dans des conditions convenables, que celle appliquée dans le cir -cuit émetteur. Ce type d'élément de circuit à cristal a été dési- gné sous le nom de "Transistor" etpeut être utilisé dans des cir- cuits amplificateurs ou oscillateurs à la place d'un tube triode thermoionique. Le cristal et son réceptacle sont considérés comme la cathode, la courbe polarisée positivement ou électrode émettrice étant la grille, et la sonde polarisée négativement ou électrode collectrice étant l'anode du tube.
On a découvert des phénomènes analogues à ceux décrits ci-dessus en ce qui concerne les "transis- tors", et ces phénomènes peuvent être provoqués au moyen d'une ca- thode à revêtement d'oxyde.
Dans les expériences exécutées par nous, il a été observé que si, dans un redresseur suivant la présente invention, une se- conde'sonde est placée près de la première sonde polarisée négati- vement, aucun changement important dans la conductivité du chemin associé avec la première sonde ne se produit lorsque la polarisa- tion positive sur la seconue sonde change, c.à.d. que l'effet de transistor est absent ou négligeable. Ceci est compréhensible en raison du courant inverse négligeable obtenu, mais l'absence du courant inverse est cependant inattendu.
Il paraît probable que la fonction travail pour les électrons entrant dans la surface du semi-conducteur à partir de la sonde métallique agit effectivement pour établir une couche limite plus élevée que les énergies ther- miques des électrons dans la sonde à la température utilisée pour la sonde. En augmentant la température de la sonde les électrons
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doivent recevoir suffisamment d'énergie pour surmonter la couche limite ou barrière. L'expérience a montré qu'il en était bien ainsi.
On a observé que si, à la place d'un point sonde pola- risé négativement, une boucle de fil de tungstène, chauffée à en- viron 1000 absolus ou degrés Kelvin, était utilisée en remplace- ment, alors la caractéristique voltage-courant dans le circuit de la sonde devenait analogue à celui d'un cristal de germaniun, et une caractéristique de courant, inverse du type normalement asso- cié avec une couche barrière ou limite, est obtenue. Une courbe caractéristique typique pour la forme de redresseur modifiée est représentée dans la figure 3.
En fonctionnant dans la région où le courant inverse commence à croître rapidement avec l'augmentation du voltage négatif de sonde appliqué, c.à.d. dans la région du point A, la conductivité de ce circuit est influencée par le volta- ge appliqué dans le second circuit de sonde d'une manière analogue à ce qui est obtenu dans un transistor à cristal, et la possibilité d'utiliser des circuits amplificateurs ou oscillateurs est ainsi établi e.
Suivant un aatre aspect de l'invention, on a prévu un élé- ment de circuit électrique comprenant une cathode à chauffage indi- rect revêtue d'une cauche d'oxyde, une électrode émettrice d'élec- trons en contact avec la dite couche et adaptée pour être chauffée dans la région de ce contact jusqu'à la température de la cathode, et une électrode collectrice faisant contact avec la dite couche au voisinage de la dite région, de façon que le courant sur la dite électrode collectrice puisse être commandé par un potentiel appli- qué à la dite électrode émettrice d'électrons.
Un exemple de réalisation de l'invention, suivant un de ses aspects, est montré dans les figures 4 à 6, sur lesquelles l'ensem- ble cathode et sonde 16 comprend un manchon de cathode en nickel 17 renfermant un élément chauffant 18. Une paire de manchons de céra- mique 19 et 20 passent à travers des ouvertures dans le manchon de cathode, les extrémités correspondantes des manchons de céramique
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venant juste au niveau, ou étant légèrement au-dessus de la surface extérieure du manchon métallique de cathode. Les autres extrémités des manchons de céramique sont supportées par une pièce 21 soudée au manchon de cathode. Une paire de fils fins en tungstène 22 et 23 sont vissés dans des trous respectifs dans les manchons de céra- mique pour former deux boucles parallèles à la surface du manchon de cathode.
Le manchon de cathode, dans le voisinage des boucles de fil de tungstène qui servent de sonde, est recouvert d'un revê- tement standard de mélange d'oxydes 24, de façon que les boucles y soient comprises. Les fils de tungstène, utilisés, avaient un diamètre de 0,13 mm et étaient espacés de 0,13 mm l'un de l'autre.
Ils étaient éloignés d'environ la moitié de cette distance de la surface du manchon de cathode. L'ensemble de la cathode est sup- porté au moyen d'isolateurs en mica 25 et 26 montés sur des tiges de support 27 et 28 scellés dans la pièce 29 d'une enveloppe de type normal 30. Pour faciliter l'activité de la cathode, une anode 31 est aussi prévue sur la structure d'électrode. Etant donné que les boucles de fils sont prises dans le revêtement de cathode, elles atteignent la température de la cathode sans moyen de chauffage séparé.
Il a été trouvé que si les deux sondes présentent des sur- faces étendues, ceci conduit à de basses impédances de circuit. Pour cette raison, lorsqu'une impédance de sortie plus élevée est néces- saire, il est préférable de modifier la structure, comme représenté dans la. figure 7, en utilisant une électrode collectrice sous la force d'une sonde pointue 32. Cette sonde peut être faite au moyen d'un fil plus fin que celui de la boucle, et peut être carburé à son extrémité pour augmenter sa résistance de contact avec la couche d'oxydes.
De façon à.augmenter encore l'impédance de sortie du dispo- sitif, en utilisant la modification de la figure 7, on a trouvé qu' il était désirable de maintenir la température de la sondée collec- trice aussi basse que possible. On réduit, en conséquence, le cou- rant de chauffage de la cathode, et on peut laisser passer un courant
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à travers la boucle émettrice 23 pour compenser la réduction de température de la cathode.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec des exemples particuliers de réalisation et certaines modifications de ceux-ci, il doit être bien compris que cette description est donnée simplement à titre d'exemple et non pas comme une limita- tion de la portée de l'invention.