<Desc/Clms Page number 1>
Dispositif à l'état solide.
La présente invention concerne un nouveau dispositif à l'état solide fonctionnant à des températures voisines du zéro . absolu, et en particulier, un dispositif à quatre bornes pouvant être utilisé comme élément actif pour des opérations d'amplifi- cation ou de commutation dans des circuits électroniques.
Certaines matières, dites ci-après supra-conductrices, ont deux états de résistance au passage du courant électrique dans la matière, l'état normal et l'état supra-conducteur. A une température égale ou supérieure à la température de transi- tion ou température critique Tc, un corps supra-conducteur se trouve dans son état normal et offre une résistance au passage du courant électrique. Au-dessous de cette température cr:ti-
<Desc/Clms Page number 2>
que, le corps supra-conducteur se trouve dans son état supra- conducteur et n'offre plus de résistance au passage du courant électrique. Des matières présentant un état normal sans état supra-conducteur sont dites ci-après des matières normales.
On sait qu'un corps supra-conducteur peut être commuté de son état supra-conducteur à son état normal en y appliquant un champ magnétique suffisamment grand, en élevant la températire du corps au-dessus de sa température critique ou en faisant passer dans le corps un courant électrique suffisamment intense pour qu'il soit égal ou supérieur à un courant dit courant criti- que. On sait aussi que certains assemblages métal-isolant-métal à deux bornes présentent, à des températures voisines du zéro absolu, une résistance non linéaire quand un des métaux est supra- conducteur, et une résistance négative quand les deux métaux sont supra-conducteurs. On peut se référer, par exemple, aux pages 147, 148 et 461 à 466 de la Revue Physical Review Letters", 5.
Selon la théorie exposée dans ces écrits, un supra-conducteur a une bande d'énergie interdite pour les porteurs de charge normaux au-dessous de la température critique Tc. Cette bande d'énergie interdite augmente lorsque la température diminue. Les électrons ayant une énergie plus faible que cette bande d'énergie sont cou- plés les uns aux autres et sont dits électrons supra-conducteurs.
Aux températures voisines du zéro absolu et inférieures à la tem- pérature critique, il y aussi une faible densité de porteurs de charge normaux d'origine thermique (des électrons se trouvant au- dessus et des lacunes se trouvant au-dessous de la bande d'éner- gie interdite). Les porteurs de charge normaux ne sont pas couplés entre eux et peuvent percer un mince isolant électrique en contact avec le supra-conducteur. Les porteurs de charge supra-conducteurs ne peuvent pas percer un tel isolant.
L'invention est basée sur l'idée qu'un corps supra- conducteur se trouvant dans son état normal peut être commuté dans son état supra-conducteur en en extrayant des porteurs normaux,
<Desc/Clms Page number 3>
et qu' un corps supra-conducteur se trouvant dans son état supra-conducteur peut être commuté dans son état normal en 1 injectant des porteurs normaux. Une extraction de porteurs nor- maux réduit la densité de porteurs normaux dans le corps et pro- voqua, en fait, un refroidissement électronique du corps, tandis aucune injection de porteurs normaux augmente la densité de porteurs normaux dans le corps et provoque, en fait, un échauffe- ment électronique du corps.
Le dispositif de l'invention comprend une première région (ou émetteur) consistant en un supra-conducteur, une deu- xième région (ou base) consistant en un supra-conducteur séparé de la première région par une couche mince électriquement isolante, et une troisième région (ou collecteur) consistant en un supra- conducteur séparé de la deuxième région par une seconde couche mince électriquement isolante. Par couche mince on entend une couche isolante ayant une épaisseur (dimension transversale de la section transversale) telle que les porteurs de charge normaux puissent la percer. Les couches isolantes ont, de préférence, une épaisseur allant de 6 à 60 argstrûms Les régions sont, en outre, liées entre elles de telle façon que la deuxième région ait une bande d'énergie interdite plus petite que celles de la première et de la troisième régions.
La première et la troisième régions ont des bandes d'énergie interdites semblables ou en substance semblables.
Selon un mode de fonctionnement, le dispositif tra- vaille à une température se trouvant immédiatement au-dessous de la température critique de la deuxième région. On fait circuler un courant de sortie dans la deuxième région et dans un circuit extérieur* Quand une tension de commande suffisamment grande est appliquée aux première et troisième régions, des porteurs sont injectés dans la base, ce qui augmente brusquement la den- sité de porteurs normaux et, par conséquent, la deuxième région est commutée dans son état normal et le courant de sortie circu-
<Desc/Clms Page number 4>
lant dans la base est réduit.
En réglant convenablement la ten- sion de commande, on arrête l'injection de porteurs normaux dans la deuxième région, de so@te que les porteurs injectés se recombinent dans la deuxième région avec rétablissement de la bande d'énergie interdite. Par conséquent, la tension de commande est utilisée pour provoquer ou supprimer la supra-conductivité de la deuxième région, ce qui permet de régler l'amplitude du courant de sortie circulant dans le circuit de charge.
Selon un deuxième mode de fonctionnement, le dispositif de l'invention travaille immédiatement au-dessus de la tempéra- ture critique de la deuxième région. On fait circuler un courant de sortle dans la deuxième région et dans un circuit de charge extérieur. On applique une tension de commande appropriée aux première et troisième régions de façon que des électrons normaux soient extraits de la deuxième région par une des autres régions et que des trous normaux soient extraits simultanément de la deuxième région par la région restante.
Le fait d'extraire des porteurs de charge nornaux de la deuxième région a pour consé- quence que la deuxième région est commutée dans son état supra- conducteur et que le courant de sortie augmente. Si on continue à augmenter la tension de commande appliquée, la deuxième région peut être écoutée dans son état normal comme décrit avec réfé- rance eu premier mode de fonctionnement. Ou bien, la tension de commande peut être abaissée à un niveau convenable de façon à arrêter J'extraction de porteurs de charge normaux, la géné- ration thermique de porteurs normaux dans la deuxième région provoquant La commutation de celle-ci dans son état normal.
Par conséquent, la tension de commande est utilisée pour provoquer ou supprimer '.a supra-conductivité de la deuxième région, ce qui per .et de régler l'.iaplituie du courant de sortie circulant dans le circuit de charge.
Une description plus détaillée, de différentes formes
<Desc/Clms Page number 5>
d'exécution de l'invention est donnée ci-après avec référence aux dessins annexés, dans laquais !
La figure 1 est une vue en partie schématique et en partie en coupe de la première forme d'exécution de l'invention.
La figure 2 est un graphique montrant Les relations entre la bande interdite, la densité de porteurs normaux et la température dans un supra-conducteur.
Les figures 3a, 3b et 3c sont des graphiques d'énergie facilitant la compréhension du premier mode de fonctionnement du dispositif de la figure 1.
'La figure 4 est une courbe Is-Vtdu dispositif de la figure 1 travaillant selon le premier mode de fonctionnement La figure 5 est une courbe Is-Vt du dispositif de la figure 1 travaillant se?.on le second mode de fonctionnement.
Les figures 6a et 6b sont des graphiques d'énergie facilitant la compréhension du second mode de fonctionnement du dispositif de la figure 1.
La figure 7 est une vue en plan d'une deuxième forme d'exécution de l'invention comportant un support, et La figure 8 est une vue en coupe d'une troisième forme d'exécution de l'invention comportant des récupérateurs pour des porteurs de charge normaux.
Sur les différentes figures, les mêmes éléments portent les mêmes références.
Une première forme d'exécution, représentée à la figure le se compose de plusieurs couches voisines disposées dans l'or- dre suivant :une première région ou émetteur 21, une première couche mince électriquement isolante 23, une deuxième région ou base 25, une deuxième couche mince électriquement isolante 27 et une troisième région ou collecteur 29. L'émetteur 21, la rase 25 et le collecteur 29 sont chacun en une matière supra-conduc- trice. Un supra-conducteur est caractérisé en ce qu'il présenta une bande d'énergie interdite 2Eo au-dessous d'une température
<Desc/Clms Page number 6>
critique T Cette bande d'énergie interdite augmente quand la température diminue et ceci jusqu'à une valeur maximum de 2Eo au zéro absolu.
Une relation typique entre la bande d'énergie interdite et la température à l'équilibre thermique, est repré- sentée par la ccurbe 11 de la figure 2. D'une façon générale, plus haute est la température critique, plus grande est la bande d'énergie interdite maximum. Certains supra-conducteurs appropriés et leurs bandes d'énergie interdites maximum calculées ainsi que leurs températures critiques sont donnés au Tableau, à la fin du mémoire.
L'émetteur 21, la base 25 et le collecteur 29 sont re- liés entre eux d'autre part de telle façon que l'émetteur 21 et le collecteur 29 soient des supra-conducteurs qui ont la même bande d'énergie interdite 2Eoa et 2Eoc respectivement ou environ,
La matière supra-conductrice de la base 25 a une bande d'énergie interdite 2Eob plus étroite que celles des matières supra-conduc- trices de l'émetteur 21 et du collecteur 29. Ces considérations n'ont qu'une valeur relative, de sorte qu'on peut choisir n'im- porte quelle matière du tableau I pour n'importe quelle région, à condition que la bande d'énergie interdite de cette région ait une dimension, par rapport à celles des autres régions, satis- faisant la relation précitée.
La première couche isolante 23 et la deuxième couche isolante 27 peuvent être de l'oxyde d'aluminium que l'on obtient, par exemple, par oxydation de l'aluminium métallique, ou du bioxyde de silicium que l'on dépose par évaporation, ou encore une matière organique comme le stéarate de baryum ou de chrome que l'on dépose par dsorption sur la surface d'une des régions.
Les deux couches isolantes 23 et 27 doivent être suffisamment épaisses pour empêcher le passage des porteurs de charge supra- conducteurs tout en étant assez minces pour permettre un perce- ment appréciable par les porteurs de charge normaux. D'une façon générale, les couches isolantes doivent avoir une épaisieur en substance uniforme allant de 6 à 6C angstrôms. Les couches iso- @
<Desc/Clms Page number 7>
lantes 23 et 27 doivent, en outre, être exemptes de piqûres et d'autres discontinuités afin que le passage des porteurs de charge soit en substance uniforme. Les épaisseurs allant de 10 à 30 angströms constituent un choix d'épaisseurs raisonnable.
Dans le cas du stéarate de baryum, la couche est constituée par une pel- licule monomoléculaire ayant une épaisseur d'environ 40 à 60 angstroas.
La région émettrice 21 et la région collectrice 29 peuvent avoir une épaisseur de 10.000 angstroms ou toute autre épaisseur plus grande convenable. L'épaisseur de la bese 25 située entre l'émetteur et le collecteur est, de préférence, in- férieure à une longueur de diffusion pour les porteurs de charge normaux. L'épaisseur de la base doit aussi être suffisamment pe- tite pour pouvoir effectuer une extraction de porteurs normaux efficace. Des épaisseurs de base comprises entre 50 et 200 angströms se sont avérées satisfaisantes. Le dispositif est sy- métrique par rapport à la bse 25 et les fonctions de l'émetteur 21 et du collecteur 29 peuvent être interverties.
Une connexion émettrice 31 est appliquée à l'émetteur 21 et une connexion collectrice 33 est appliquée au collecteur 29. Deux connexions de base 41 et 43 sont appliquées à la base 25.
Les connexions de base sont disposées le long d'un axe et déter- minent les extrémités d'un chemin de courant pour des porteurs de charge supra-conducteurs transversaux par rapport à .l'épaisseur de la base 25. L'émetteur 21 et le collecteur 29 déterminent les extrémités d'un chemin de courant pour de?; porteurs de charge normaux traversant les coucher isolantes et la base. Les diffé- rentes connexions 31, 33, 41 et 43 établissent des contacts non redresseurs à faible résistance avec les régions correspondantes
Une première batterie 37 et une source de signal 39 sont reliées en série avec la connexion émettrice 31 et la con- nexion collectrice 33 dans un circuit de commanda 35.
Une source de courant 47 et une charge 49 sont reliées en série avec la paire
<Desc/Clms Page number 8>
de connexions de base 41 et 43 dans un circuit de charge 45.
En fonctionnement, le dispositif est placé dans un cryostat 51 ou un autre moyen pour maintenir le dispositif à une température de travail voisine du zéro absolu, à laquelle au moins l'émetteur 21 et le collecteur 29 sont supra-conducteurs.
La température critique de la base 25 doit être plus proche de la température de travail que les températures critiques de l'émet- teur 21 et du collecteur 29. Le moyen 51 peut comporter, par exs'aple, un récipient isolant et un réfrigérant, par exemple un bain d'hélium liquide, ou un moyen pour évaporer de l'hélium liquide dans le voisinage du dispositif. De façon typique, le dispositif fonctionna au point d'ébullition de l'hélium liquide ou près de celui-ci.
Selon un mode de fonctionnement, le dispositifse trouve à une température de travail basse T. telle que l'émetteur 21, la base 25 et le collecteur 29 soient supra-conducteurs. La source de courant 47 fait circuler un courant de charge Is dans le circuit de charge 45. Quand la tension de commande Vt provenant de la source de signal 39 augmente à partir de zéro, le courant de charge Is reste d'abord constant (voir courbe 55 de la figure 4) puisqu'il est limité par la charge 49. A une tension d'environ (Eoa + Eoc + 2Eob) # 2(Eoa + Eob), la base est commutée dans son état normal et le courant de charge tombe à une certaine valeur plus faible (voir courba 17 de la figure 4).
La figure 3a montre les relations entre les bandes d'é- nergie interdites des différentes régions supra-conductrices du dispositif en l'absence de polarisation. Le niveau de Fermi est représenté par la ligna en traits interrompus 61 dans l'émetteur, par la ligne 67 dans la base, et par la ligne 73 dans le collecteur; il se s@tue au même niveau d'énergie (lais tout le dispositif. L'é- metteur 21 présente une bande d'énergie interdite 2Eoa entre les
<Desc/Clms Page number 9>
niveaux 63 et 65. La base 25 présente une bande d'énergie inter- dite 2Eob entre les niveaux 69 et 71 qui seront utilisés comme ni- ; veaux de référence lorsqu'on décrira ci-après le fonctionnement du dispositif.
Le collecteur 29 présente une bande d'énergie interdite 2Eoc entre les niveaux 75 et 77. Les valeurs de Eoa et Eoc sont en ' substance les mêmes.
Comme la figure 3b le montre, quand l'émetteur 21 est polarisé positivement par rapport à la base 25, les niveaux d'énergie 63 et 65 descendent par rapport aux niveaux d'énergie 69 et 71 de la base 25. Quand le collecteur 29 est polarisé néga- tivement par rapport à la base 25, les niveaux d'énergie 75 et 77 du collecteur remontent par rapport aux niveaux d'énergie 69 et 71 de la base 25. Quand l'émetteur 21 et le collecteur 29 sont polarisés comme représenté à la figure 3b, des électrons normaux sont extraits de la base 25 par l'émetteur 21 et des trous nor- maux sont extraits de la base 25 par le collecteur 29. Cette extrac- tion a pour effet de réduire la densité n de porteurs normaux libres dans la base 25.
La courbe 13 de la figure 2 est la courbe, à l'équilibre thermique, donnant la densité no en porteurs normaux en fonction de la température. L'extraction de porteurs réduit la densité de la valeur à T1 à celle à T2 sur la courbe 13 et élargit la bande d'énergie interdite 2Eob de celle à T1 à celle à T2 sur la courbe 11. Le courant de charge Is reste essentiellement le même, comme indiqué dans la partie supérieure de la courbe 55 de la figure 4.-
Quand la tension est relevée au-dessus d'une valeur d'environ 2(Eoa + Eob), les bandes d'énergie se déplacent dans des positions représentées typiquement à la figure 3c. Des trous normaux sont injectés de l'émetteur 21 dans la base 25, et des électrons normaux sont injectés du collecteur 29 dans la base 25.
L'injection d'électrons normaux et l'injection de trous normaux s'effectuent par percement des deux couches isolantes 23 et 27.
<Desc/Clms Page number 10>
Cette injection de porteurs normaux a pour effet d'augmenter brus- quement la deasité no en porteurs normaux dans la base 25 qui est commutée à son état normal. Si on se réfère à la figure 2, ceci correspond à relever la température du corps à une valeur T3. Quand on réduit la tension de commande Vt, l'injection de porteurs normaux cesse, les porteurs normaux dans la base se re- combinent ou sont extraits, et la base 25 retourne à son état supra-conducteur.
Selon un second mode de fonctionnement, le dispositif de la figure 1 est maintenu à une température T4 légèrement supé- rieure à la température critique ordinaire Tc de la base 25. On applique une tension de commande Tt aux connexions 41 et 43 comme décrit précédemment La courbe Is - Vt est représentée à la fi- gure 5. Quand Vt= 0, la base 25 se trouve dans son état normal et Is a une certaine valeur faible. Quand Vt augmente, Is reste constant comme la courbe 59 le montre. A V = 2Eoa , , la. base 25 est commutée dans son état supra-conducteur et 1 augmente jusqu'à une certaine valeur plus élevée 55'.
La valeur de I.reste constante quand on continue à augmenter Vt et ceci jusqu'à V = 2(Eoa+ Eob), niveau auquel la base 25 retourne à son état normal tandis que Is est réduit à une certaine valeur plus faible représentée par la courbe 57'.
A Vt = 0 dans le second mode de fonctionnement, le graphi- que d'énergie du dispositif est semblable à celui de la figure 3a, sauf que la base 25 n'a pas de bande d'énergie interdite 2Eob, La figure 6a donne le graphique d'énergie à V=2Eoa immédiatement oa avant la commutation. Les bandes d'énergie de l'émetteur 21 sont descendues et les bandes d'énergie du collecteur 29 sont remontées par rapport aux bandes d'énergie de la base 25. L'émetteur 21 extrait des électrons de la base 25 tandis que le collecteur 29 extrait des trous de la base 25.
L'extraction de porteurs de charge normaux a pour effet de réduire la densité no en porteurs normaux dans la base 25 qui est ramenée à une température plus
<Desc/Clms Page number 11>
basse, typiquement T2, par refroidissement électronique, cette température étant au-dessous de la température critique ordinaire Tc (voir figure 2), de sorte que la base 25 devient supra-
EMI11.1
conductrice. La figure 6b donne le graphique d'énergie à V=2Eoa immédiatement après que la base a été commutée à son état supra- conducteur. Quand elle est amenée à son état supra-conducteur, la
EMI11.2
base présente une bande d'énergie interdite 2EOb.,Qwtnd on augmente encore Vt, la base 25 retourne à son état normal à et au-dessus de Yt T 2(Eoa+Eob)' comme décrit avec référence à la figure 3c.
Le changement d'état de la base 25 décrit ci-avant peut aussi être justifié par les courbes de la figure 2' Quand la tension de commande Vt est appliquée, la bande d'énergie inter...
EMI11.3
dite 2Eob et la densité no en porteurs normaux dans la bas) 25 à l'équjiibre thermique sont données typiquement par les courber 11 et 13 respectivement. Pendant l'extraction des porteurs
EMI11.4
normaux, les valeurs de 2ob et na se modifient pour correspondra à une température effective T'c plus élevée comme représenté par les courbes respectives 11' et 13'. Pendant l'injection, de
EMI11.5
porteurs normaux, les valeurs de 2E et no se modifiant de façon à correspondre à une température effective T"c plus basse, comme représenté par les courbes respectives 11" et 13".
La tans Ion de commande Vt sert donc à faire varier électroniquement la tempéra- ture effective de la base 25.
Une analyse plus formelle d'une théorie expliquant les
EMI11.6
phénomènes de commutation ci-dessus est donnée ci-après. 'l"' dési- gne la durée de vie en fonction d'une recombinaison électrons-
EMI11.7
trous normale et n' désigne la densité en électrons ftormaux
EMI11.8
(où trous) dans un supra-conduc1;ur se trouvant dans son état supra- conducteur et en équilibre therrJ1que. Par conséquent, n*/2" est le taux normal de génération de paires électrons -trous par unité de volume dans le supra-conducteur. (C'est aussi le taux de re- combinaison). Il est supposé, pour le moment, qu'en condition
<Desc/Clms Page number 12>
d'extraction dans le supra-conducteur, le taux normal de géné- ration de paires reste inchangé (c'est-à-dire qu'il reste n'/# ).
Cependant, le taux de recombinaison est réduit à (n"/n')2x(n'/# ), où n" est la densité réduite en électrons normaux résultant de l'extraction. Le facteur (n"/n')2 est une conséquence du fait qu'il s'agit ici d'une recombinaison bimoléculaire. L désigne l'épaisseur d'une pellicule de base supra-conductrice soumise à l'extraction, Y désigne la probabilité moyenne de transition de percement par collision entre les porteurs normaux et les barrières isolantes touchées, et Vf désigne la vitesse des por- teurs normaux (c'est-à-dire la vitesse de Fermi).
Le taux d'extrac- tion de paires par unité de volume de pellicule supra-conduc- trice est 1/3 Vf (nr/2) (#/L). Si on égale :La différence entre le taux de génération et le taux de recombina:lson au taux d'ex- traction (c'est-à-dire l'équilibre dynamique), on trouve :
EMI12.1
1 - nr' 2 - - 0 t. où = Vf est la trajectoire libre moyenne avant recombinaison des paires sous équilibre thermique. Si
EMI12.2
fi [ 1, il s'ensuit que :: 1: fi z X, (2) n$ YA et le processus d'infraction est très efficace.
Un ordre de grandeur de la linite inférieure de # est donné par la trajec- toire libre moyenne pour la conductibilité électrique totale à l'état normal .; limitée par les vibrations de réseau, # étant une limite inférieure puisqu'il est plus difficile de pro- duire des paires nurmales thermiquement dans un supra-conducteur que dans un état nemal correspondant. Le phonon absorbé lors de la génération doit avoir au moins la bande d*énergie interdite correspondant au ca 1 de la supra-conductivité. (il est admis que
<Desc/Clms Page number 13>
les trous au-dessous du niveau de Fermi et lesélectrons au- dessus du niveau de Fermi sont des porteurs de courant dans le métal normal).
Par conséquent, si la température de travail est notablement inférieure à la température du transition habi- tuelle du supra-conducteur, on peut s'attendît à ce que \ \ne Comme #n peut être 10-2 cm et # # 10-2 - 10-3 dans des conditions typiques, l'équation (2) montre que l'épaisseur L de la pellicule supra-conductrice peut être de 100 angstrSms ou plus tout en maintenant (n"/n') # 1.
Lors de la précédente analyse du processus d'extrac- tion, il a été supposé que la densité n" est uniforme dans tout le volume de la pellicule de base supra-conductrice. Ceci consti- tue une bonne approximation aussi longtemps que L ##.
Il a aussi été supposé que le taux de génération des paires est insensible au processus d'extraction. Cependant, comme on le verra, la bande d'énergie interdite à l'état supra-conducteur peut augmenter lors de l'extraction. S'il ene?t ainsi, cela implique une diminution du taux de génération lorsque l'extrac- tion augmente ( un plus petit nombre de phonons a une énergie suffisante pour créer des paires). Une telle diminution du taux de génération ne va pas à l'encontre des conclusions du para- graphe précédent.
Une troisième hypothèse faite est que la densité en porteurs normaux dans les contacts (émetteur et collecteur) est négligeable comparativement à la densité n" dans la pellicule de base supra-conductrice, de sorte que le retour de porteurs normaux vers la pellicule par percement est négligeable. Cela signifie qu'on dispose d'un procédé efficace pour se débarrasser des porteurs normaux injectés dans les contacts. On peut, à cet effet, recouvrir chaque contact d'une certaine quantité de métal normal.
Celui-ci sert de récupérateur pour les porteurs normaux injectés dans le contact, même si la distance entre la barrière pouvant être percée et le récupérateur est plus petite qu'une trajectoire libre moyenne (pour les porteurs normaux dans le contact). Le ,
<Desc/Clms Page number 14>
récupérateur est sépara de la barrière perçable par une épais- seur de contact au moinsde l'ordre de la distance de cohérence de Pippard (10-4 cm), et le récupérateur lui-même doit avoir une épaisseur minimum semblable.
Ceci empêche que le récupérateur devienne supra-conducteur du fait qu'il se trouve sur un supra- conducteur ou, inversement, que le contact perde sa supra-conduc- tivité du fait qu'il se trouve sur le métal normal du récupéra- teur,
Il est à remarquer que, dans chaque contact, le supra- conducteur contient soit des électrons normaux injectés, soit des trous normaux injectés, mais jamais les deux. La charge d'espace résultante est compensée dans chaque contact par un réglage de la densité en électrons supra-conducteurs (un déplacement de l'énergie du bas de la bande de conduction du contact par rapport au niveau de Fermi). Ceci entraîne un léger décalage de la tem- pérature de transition de chaque contact.
Un tel décalage est né- gligeable par rapport au décalage de la température de transition de la pellicule de base supra-conductrice dû à l'extraction de porteurs normaux des deux signes sans modification de la densité en électrons supra-conducteurs.
La situation considérée actuellement constitue un état de non-équilibre. Il y a deux types généraux d'état de non-équi- libre dans un supra-conducteur : (1) ceux dont le manque d'équili- bre est dû à des électrons supra-conducteurs de sorte qu'il n'y a pas de dissipation et (2) ceux dont le manque d'équilibre est dû à des porteurs normaux de sorte qu'il y a dissipation (c'est- à-dire production d'une entropie finie). Un passage de courant indépendant du teps dans un fil supra-conducteur est un exemple du premier-type. Du fait du manque de dissipation, il est possible de déterminer une énergie libre malgré le manque d'équilibre.
Plus spécifiquement, on modifie l'énergie libre d'équilibre en ajoutant un terme égal au produit de la grandeur soumise à con- trainte par un facteur de multiplication Lagrangien. (La contrainte,
<Desc/Clms Page number 15>
due à des conditions de contact, est ce qui provoque le désé- quilibré). Dans le cas l'exemple du passage d'un courant dans un fil supra-conducteur, la contrainte est celle imposée sur le courant résultant due aux électrons supra-conducteurs.
L'extraction de porteurs normaux constitue un état de non-équilibre du second type se produisant avec dissipation..
Il se produit un certain degré de refroidissement thermo-élec- trique dans la pellicule de base supra-conductrice dont on extrait les porteurs normaux ainsi qu'un accroissement d'échauffement des contacts. Par exemple, dans les conditions de polarisation de la figure 3b, la chaleur est extraite de la pellicule au taux I(2Eob/e) et est libérée dans chaque contact au taux I(Eoa/e) quand l'extraction est efficace. (Dans le cas considéré, I est le courant total et e est la charge électronique). L'extraction de chaleur de la pellicule se produit quand des phonon? sont ab- sorbés par production de paires trous-électrons normales.
La réinjection de chaleur des contacts dans la pellicule de bats fait que la chute de température réelle de la pellicule :le buse est probablement suffisamment faible pour tre ignorée. En tout état de cause, le fait qu'une dissipation est associée à ce pro- cessus thermo-électrique empêche le définir toute sorte d'énergie libre F et, si on réduit F au minimum, cala. équivaut à décrira un équilibre de régime.
La théorie BCS peut être étendue à un tel état de non- équilibre de la façon suivante. Une équation de transfert de Boltzmann est établie pour la fonction de répartition f. corres- pondant aux porteurs normaux (des électrons normaux pour k < kf et des trous normaux pour k k,, k étant le vecteur d'onde désignant les états des particules uniques et kf étant le vedteur d'onde de Fermi).
Simultanément, l'énergie interne U est réduite au minimum par rappdrt aux paramètres hk apparais- sant dans les fonctions BCS d'onde à électrons multiples* Une
<Desc/Clms Page number 16>
EMI16.1
telie réduction au minimum donne l'équation
EMI16.2
JN(0)V F = ( 2 6,2) ' ( 1 - 2Î) d X (13)
EMI16.3
Ici N(O)V et1iAt sont des contraintes caractéristiques du supra- conducteur, # k est l'énergie de Block d'un électron célibataire (mesurée par rapport au niveau de Fermi), 2Eo est la bande d'éner-
EMI16.4
gie interdite, et (ka + Eo2jlz est l'énergie d'un porteur normal dans le supra-conducteur (mesurée aussi par rapport au niveau de
EMI16.5
Feriri).
L'équation (3) est essentiellement la même que celle de la théorie BCS; la seule différence réside en ce que f.. provient d'une équation de transfert de Boltzmann et non d'une réduction au minimum d'une énergie libre par rapport à fk.
EMI16.6
Il est évidemnent possible d'avoir un état de non- équilibre dans lequel à la fois les électron:, supra-conducteurs et les porteurs normaux contribuent au déséquilibre. Dans un tel cas, il faut résoudre une équation de Boltzmann pour fk et réduire au minimum simultanément l'énergie U par rapport à hk en se limitant àla contrainte des électrons supra-conducteurs provoquant
EMI16.7
1P ir dr .f L tilit>re. Un tel cas,se présente pour la pellicule suprac'>l1ductrice avec électrodes d'extraction si on fait circuler un courant supra-conducteur dans la pellicule parallèlement au plan de celle-ci pendant que l'on extrait des porteurs normaux de la pellicule.
Pour le moment, il est supposé qu'il n'y a pas de cou-
EMI16.8
raut 5uprEl.-conductenf dans la pellicule supra-conductrice. L'é- quation de Boltzman0s dans ce cas, se réduit à la constatation que la variation totale dans le temps de fk disparaît, les trois
EMI16.9
processus de g2nét! tlon thermique de paires normales, de recombi- naison de paires rfruales et de double extraction de porteurs normaux contribuât', tous à (dfk/dt). Le processus d'extraction est efficace pour la réduction de fk quelle que soit l'orientation
<Desc/Clms Page number 17>
de k et malgré le fait que seuls des porteur!! se déplaçant quasi perpendiculairement à la surface de séparation isolante aient une chance notable de percer.
Cette réduction de fk pour toutes les orientations résulte de ce que les porteurs réfléchis à hauteur de la surface de séparation isolante le sont indubitablement de façon diffuse, provoquant un rapide équilibrage des porteurs de même énergie se déplaçant dans des directions différentes.
Il n'est pas réellement nécessaire de résoudre l'équa- tion de Boltzmann pour f. Dans des conditions physiques raison- nables, il s'avère que, chaque fois que l'extraction est efficace dans son ensemble, c'est-à-dire chaque fois que (n"/n') >> 1, il se fait aussi que
EMI17.1
rk l' t4) Il en est ainsi pour tout k sila polarisation est réglée de telle façon que les porteurs normaux de toutes énergies puissent percer (par exemple comme à la figure 3b). Au contraire, en condi- tion de non-extraction, n'étant appréciable, il y a un nombre de fk comparable à 1/2 et ne satisfaisant donc pas (4). Il est à re- marquer que la température T ne peut affecter la bande d'énergie interdite 2Eo, obtenue par solution de l'équation (3), que parce que fk est fonction de la température.
Cependant, aussi longtemps que (4) est vrai, (3) est indépendant de T, et on obtient un Eo égal à la valeur BCS au zéro absolu, même si T est au-dessus de la température de transition supra-conductrice habituelle.
Il apparaît que la température de transition de la pelli- cule supra-conductrice peut être relevée par extraction électrique.
Une limite supérieure est évidemment imposée à cette nouvelle tem- pérature de transition par Tca, c'est-à-dire la température de transition des contacts. Quand la température de travail atteint Tell le rendement de l'extraction tombe à causé de la présence, dans les contacts, de porteurs normaux à génération thermique qui
<Desc/Clms Page number 18>
peuvent atteindre la pellicule supra-conductrice en perçant les couches isolantes. Il semble plausible qu'on puisse commencer avec la pellicule dans son état normal et rendre celle-ci supra- conductrice par extraction, la température de travail étant inférieure à Tca, mais supérieure à Tcb (la température de transition habituelle de la pellicule).
Inversement, on doit être capable d'abaisser la température de transition de la pellicule en injectant des porteurs normaux comme représenté à la figure 3c.
En abaissant la température de transition au-dessous de la tem-- pérature de travail, on peut rendre la pellicule de base supra- conductrice normale par injection électrique. En utilisant une fois l'injection et une fois l'extraction, on dispose d'un processus électrique (non magnétique) de réglage d'un courant supra-conducteur dans la pellicule (le courant circulant paral- lèlement au plan de la pellicule).
La figure 7 est une vue en plan d'une deuxième forme d'exécution de l'invention utilisant un support. Celle-ci est généralement semblable à la première forme d'exécution du point de vue structurel et, dans les deux cas, les mêmes éléments portent les mêmes références. Le dispositif de la figure 7 com- porte un support électriquement isolant 81 ayant la forme d'un carré en verre au borosilicate par exemple. Différentes paires de connexions d'électrodes en platine métallique 31, 33, 41, 43 adhèrent au support 81 sur une petite superficie près de chaque bord du support.
De telles connexions peuvent être réalisées en déposante sur la surface de contact, une peinture de latine ou un résinate de platine, le support 81 étant ensuite porté à environ 400 C en présence de la peinture de manière à volatiliser la ma- tière organique et à faire adhérer la platine métallique.
Dans l'exemple considéré, un émetteur 21 en plomb mé- tallique ayant la forme d'une lamelle d'une largeur d'environ 0,25 mm. et d'une épaisseur d'environ 10.000 angstroms relie et
<Desc/Clms Page number 19>
recouvre les connexions d'électrode 31. Une telle électrode en plomb peut être produite en déposant par évaporation du plomb métallique sur la support 81 pourvu d'un cache approprié. On crée une première couche isolante 23 sur l'électrode émettrice 21, en contact avec celle-ci. La première couche isolante 23 est obte- nue en oxydant la surface du plomb de l'émetteur 21, par exemple en exposant le métal à l'air. La partie oxydée consiste en une couche d'oxyde de plomb ayant une épaisseur d'environ 20 à 40 angströms.
La couche isolante 23 constitue un isolant électrique que les porteurs de charge normaux peuvent percer, mais qui arrête le passage de porteurs supra-conducteurs. La couche isolante 23 peut aussi être produite par oxydation chimique ou électrolytique de l'émetteur, là où les techniques chimiques sont admises. La première couche isolante 23 peut encore être réalisée en déposant par évaporation du SiQ ou du SiO2.
Une base en aluminium métallique 25, ayant la forme d'une lamelle d'une largeur d'envircn 0,375 mm. et tf'une épais- seur d'environ 50 angstroms, relie et recouvre les connexions de base 41 et 43. La lamelle 25 croise et touche la couche Isolante 23. Une telle électrode en aluminium peut être produite en dépo. sant par évaporation de l'aluminium métallique sur le support 81 pourvu d'un cache approprié. On crée une couche isolante qui re- couvre la base 25, en contact avec celle-ci* Dans la présente for- me d'exécution, cette seconde couche isolant;! 27 est obtenue en oxydant la surface de l'aluminium de la base de manière à obtenir de l'oxyde d'aluminium, par exemple par oxydation chimique.
La partie oxydée de la seconde couche isolante a une épaisseur d'envi- ron 20 à 40 angströms.
Une électrode collectrice en plomb métallique 29, ayant la forme d'une lamelle d'une largeur d'enviro.] 0,25mm et d'une épaisseur d'environ 10.000 angstroms relie et recouvre les connexions d'électrode 33. La lamelle d'électride 29 croise et
<Desc/Clms Page number 20>
touche la couche isolante 27. Le collecteur peut être produit à l'aide des mêmes techniques que pour l'émetteur 21, par exem- ple en déposant par évaporation du plomb métallique sur les cou- ches précédentes et le support 81 qui ont été pourvus d'un cache approprié. La base 25 recouvre l'émetteur 21 et le collecteur
29 recouvre la base 25 dans une région commune près du centre du support 81.
La forme d'exécution de la figure 7 est reliée aux mêmes circuits de charge et de commande que dans le cas de la première forme d'exécution et avec des connexions identiques pour l'émet- teur 21, la base 25 et le collecteur 29, comme indiqué. La deu- xième forme d'exécution représentée à la figure 7 peut fonctionner selon le premier ou le second mode de fonctionnement décrits avec référence à la première forme d'exécution.
La figure 8 représente une troisième forme d'exécution de l'invention qui est identique à la première forme d'exécution représentée à la figure 1 sauf que l'émetteur 21 est voisin d'un récupérateur en métal normal 91 qui recouvre en substance toute la surface de l'émettevr, et que le collecteur 29 est voisin d'un second récupérateur ea métal normal 93 qui recouvre en substance toute la surface du collecteur. L'émetteur 21 et le collecteur 29 sont aussi minces que possible tout en ayant une épaisseur su- périeure à environ 10.@00 angströms (grossièrement la distance de cohérence de Pippard), Les récupérateurs 91 et 93 ont toute épaisseur appropriée, supérieure à 10.000 angströms.
Dans les deux premières formes d'exécution, la densité en porteurs normaux de l'émetteur 21 et du collecteur 29 est ré- duite à la valeur d'écuilibre thermique pur extraction de por- teurs normaux envoyés dans le circuit extérieur ou par disparition d'une paire de porteur ! normaux avec modification simultanée du nombre d'électrons sup@@-conducteurs. Dans le cas de densités
<Desc/Clms Page number 21>
en porteurs normaux très élevées, de tels processus peuvent ne pas être assez rapides et le dispositif peut avoir une tendance à la saturation parce que les bandes d'énergie interdites de l'émetteur et/ou du collecteur ont été rétrécies.
Cette difficulté est vaincue dans la troisième forme d'exécution de l'invention. Pour de faibles densités en porteurs normaux, la densité en porteurs normaux dans 1-'émetteur 21 et dans le collecteur 29 est réglée comme dans la première forme d'exécution. Dans le cas de densités en porteurs normaux élevées, les porteurs normaux en excès passent directement aux récupé- rateurs 91 et 93 sans recombinaison. L'émetteur 21 et le collec- teur 29 sont aussi minces que possible pour que le chemin du courant composé de porteurs normaux soit aussi court que possible.
Cependant, la limite inférieure de l'épaisseur est déterminée par la tendance de la matière à assurer l'état d'un corps plus volumineux avec lequel elle est en contact. Si l'émetteur 21 et le collecteur 29 sont trop minces, ils auraient tendance à assumer l'état normal des récupérateurs avec lesquels ils sont en contact.
<Desc/Clms Page number 22>
T A B L E A U
EMI22.1
Su ra-conduçtaur TC Bande d énergie iriter #dite T ="5T (millivolts)'.
Technétium Te 17.,2 K 3,4
EMI22.2
<tb> Niobium <SEP> Nb <SEP> 8,7 <SEP> 2,6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Plomb <SEP> Pb <SEP> 7,2 <SEP> 2,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Lanthane <SEP> La <SEP> 5,4 <SEP> 1,6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Vanadium <SEP> V <SEP> 4,9 <SEP> 1,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tantale <SEP> Ta <SEP> 4,4 <SEP> 1,3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Mercure <SEP> Hg <SEP> 4,2 <SEP> 1,3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Etain <SEP> Sn <SEP> 3,7 <SEP> 1,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Indium <SEP> In <SEP> 3,4 <SEP> 1,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Thallium <SEP> Tl <SEP> 2,4 <SEP> 0,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rhénium <SEP> Re <SEP> 1,7 <SEP> 0,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tnorium' <SEP> Th <SEP> 1,4 <SEP> 0,4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> Al <SEP> 1,2 <SEP> 0,3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Gallium <SEP> Ga <SEP> 1,1 <SEP> 0,3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Zinc <SEP> Zn <SEP> 0,9 <SEP> 0,
3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Uranium <SEP> U <SEP> 0,8 <SEP> 0,2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Osmium <SEP> Os <SEP> 0,7 <SEP> 0,2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Zirconium <SEP> Zr <SEP> 0,6 <SEP> 0,2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cadmium <SEP> Cd <SEP> 0,6 <SEP> 0,2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ruthénium <SEP> Ru <SEP> 0,5 <SEP> 0,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Titane <SEP> Ti <SEP> 0,4 <SEP> 0,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Hafnium <SEP> Hf <SEP> 0,4 <SEP> 0,1
<tb>
+ (Bande d'énergie interdite à T = 0 mesurée par percement de
Pb, Sn, In et Al. Pour d'autres métaux, elle est supposée être 3,5 kTc, où k= 0,086 millivolts/degré = constante de Boltzmann).
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.