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Dispositif à l'état Bolide.
La présente invention concerne un nouveau dispositif à l'état solide fonctionnant à des températures voisines du zéro absolu. En particulier, l'invention concerne un dispositif com- portant au moins trois bornée et pouvant être utilisé comme élé- ment actif pour des opérations d'amplification, d'oscillation et de commutation dans des circuits électroniques*
Certaines matières, dites ci-après supra-conductrice., présentant au passage du courant électrique dans la matière,
de états de résistance que l'on appelle l'état normal et l'état supra-conducteur* A une température égale ou supérieure à une température critique Tc, un corps supra-conducteur se trouve dais* son état normal et offre une résistance au passage du courent
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électrique. due cette température critiqua la corps ,upra-condut te\.:' se trouve dans son état supra-conducteur et N'offre plut dit résistance au passage du courant électrique.
Des matières aulres, dites normales, ont un état normal et n'ont pas d'état supraconducteur
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On sa1'. qu'un corps supra-conducteur peut ttrb coas- muté de son (tat supra-conducteur à son état normal en y appli-
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quant un eliaip Nautique suffisamment grand, en élevant la tempé- rature du coips au-dessus de sa température critique Te ou en tai. sant Passer tans le corps un courant électrique suffisamment intern- 04 pour qu$li soit égal ou supérieur 1 un courant dit critique.
On sait aura, que certains montages métal-isolant-métal à deux bornes affrert à des température voisines du zéro absolu, une résistance non linéaire quand un des métaux est supra-conducteur, et une résistance négative quand les deux métaux sont supraconducteurs. On peut se référer, par exemple, aux pages 147, 148
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et 461 à 466 de la Revu* *Physical Beview Lattera., 5. Selon la théorie expose* dans ces écrits, un supra-conducteur a une bande
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d*ênergîe interdite pour les porteurs de charge normaux au-dessous d'une température critiqua Tcvoisine du zéro absolu. Cette bande;
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d'énergie interdite atiemente lorsque la température diminue.
Des électrons ayant une énergie plus faible que cette bande d'énergie sont couples les uns aux autres et sont dits supra-conducteurs.
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Aux températures voifines du zéro absolu, il y a 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'énergie interdite). De tels porteurs de charge ne
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sont pas couplés entrt eux et peuvent percer un mince isolait éltc. : trique en contact avec le supra-conducteur. Les porteurs de charge $Upt'&...conductflur8 ne peuvent pas percer un tel isolant.
Le dispositif de l'invention comprend une première région (ou Metteur) d'une Matière choisie dans le groupe des mu-
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tlères normales et supra-conductrices, une deuxième région (ou base) en un supra-conducteur séparée de la première région par
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une première couche mince électriquement iaolente., et une troid- région (ou collecteur) en une matière supra-conductrice séparée de la deuxième région par une seconde couche mince électriquement isolante. On entend par "couche mince* une couche isolante ayant
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un* épaisseur de séparation entre régions contlu1.
telle que les porteurs de charge normaux puissent percer la couche par perce-
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ment mécanique quantique. Loe couches isolantes peuvent avoîr une épaisseur allant de 6 à 100 angstrSas mais, de préférence, de 10 &40 anggtrl5m3. Les régions sont, en outre, liées entre au*$ de telle façon que la troisième région (collecteur) ait une ban- de d'énergie interdite plus grande que celle de la deur.1'.. ri- ,ion (base), et que la première région (émetteur) ait une bande d'énergie interdite plus étroite que celle de la deuxième région
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(base). Quand la première région est en un métal nO;rJl1al, la ban- de d'énergie interdite est nulle et satisfait donc à la relation précédente.
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Les dispositifs de l'invention fonctionnent des teapé- ratures auxquelles la matière de la deuxième région est IUpra-c#- ductrice. Selon un mode de fonctionnement une tension de polarl- gatlon Vt est appliquée à la troisième région relativement à 1-a deu-" xiéme région, de façon qu'un courant de sortie 1t traverse la cou- che isolante séparant la deuxième et la troisième régions et ci rcu- , le dans un circuit de charge .:xtér1\ur relié à ces régions UA. tension de commande Vc est appliquer à la première région par rap- port à la deuxième région.
On peut obtenir une famille de courbes
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dans lesquelles le courant de sortie X* est une réplique de la ten- sion de commande V c et une fonction de la tension de polarisation Vt, Lorsque le courant de sortie It traverse une 1mpédande pins élevée que celle traversée par le courant de commande ICI le dispositif peut présenter un gain de puissance et peut donc être uti-
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lisé dans des circuits anpiificate'. 's et oscillateurs.
Une description plus détiillée de différentes formes d'exécution de l'invention sera dnnéit et-après avec rêt4r nc* aux
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destine annexée, dans lesquels
La figure 1 est une vue, partie schématique et parti* en coup , d'une première forme d'exécution de l'invention compor- tant un émetteur supra-conducteur.
Les figures 2a, 2b et 2c donnent des graphique d'é- nergie facilitant la compréhension du fonctionnement de la preniè- re fora. d'exécution de l'invention.
La figure 3 est un graphique de bandes d'énergie d'u- ne deuxième tome d'exécution de l'invention comportant un émetteur normal.
La figure 4 est une vue en plan, en parti schématique, d'une troisième forme d'exécution de l'intention comportant un support pour le dispositif,
La figure 3 est une vue en coupe de la troisième forme d'exécution Suivent les lignes 5-5 de la figure 4, et
La figure 6 cet une vue en plan d'une quatrième fora d'exécution de l'invention assez semblable à la forme d'exécution des figures 4 et 5 le comportant des connexions de circuit dif- tirent**.
Sur les différentes figures, les mènes éléments portent les mêmes références.
Une première forme d'exécution de l'invention, repré- senti* à la figure 1, se compos. de plusieurs couches voisines comportant une première région ou émetteur 21, une première cou- che mince électriquement isolant 23, une deuxième région ou base 25, une deuxième couche mince isolante 27 et une troisième région ou collecteur 29.
L'émetteur 21, la base 25 et le collecteur 29 sont tous en une matière supra-conductrice, Un supra-conducteur est caractérisé en ce qu'il présente, au-dessous d'une température critique Tc, une bande d'énergie interdite autour du niveau de Ferai. Cette bande d'énergie interdite augmenta quand la tempé- rature diminue et ceci jusqu'à une valeur maximum Emax, environ au zéro absolu.
D'une façon générale, plus élevée est la tem- pérature critique Tc,plus grande est la bande d'énergie inter-
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dite Jl8x1aua lux- Certains 8upra-oon4uoteur. appropriés atut. que leurs bandes d'énergie interdite* lIU1aua r,*IcUdes 'au (it leurs température* critiquai te ont donnât au Tableau m fl4
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du mémoire.
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L'mettof 21g lk base 25 et le aitatmr 29 8OAt. relié# entre eux d'autre part de telle façon que le coUecteu' at ait une banda d'énergio Interdite plus grand* 4us celle de la h- se 25 et que l'émetteur al ait ine bande d énergie Interdite plut petite que celle de la base 25. Ces considérations n'ont qu*uno Valeur relative de aorte qu'on peut choisir n'importe qunlt sa* tiere du tableau 1 pour n'1ap 1"t} quelle région, à condition que
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l'inégalité précitée des bandes d'énergie interdites suit sainte-
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nue.
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La première couche isolante 23 et la deux1è.. couche isolante 27 peuvent être de l'oxyde d'alU1l1nlwa que l'on obtient, par exemple, par oxydation d'une pellicule d* aluminium nâtalliqut, ou du bioxyde de silicium que l'on dépose par 4vaporation,, ou en"
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cort une matière organique comme le stéarate de baryum ou de chro- me que l'on dépose par adsorption sur la surface d'une des régions*
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Les deux couches isolantes 23 et 27 doivent être suffisamment
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épaisses pour erraptcher le passage des porteurs de charge supra- conducteurs tout en étant assez minces pour permettre un pel"CtrI8J1Í appréciable par les porteurs de charge normaux. D'une façon Si-
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nérale, les couches Isolantes doivent avoir une épaisseur en sub-
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stance uniforme, allant de 6 à 100 angstx3ms.
Pans le cas de
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l'oxyde d'aluminium, la couche isolante a, de préférence, une é-
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paisaeur allant de 10 à 40 angstrbas. Dans le cas du stéarate de ba- 1'1WI, la couche est constituée par une pellicule 8ODOJlOlfcu- laire ayant une épaisseur d'environ 40 à 60 angstrus.
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La région émettrice 21 et la région collectrice 29 peuvent avoir toute épaisseur appropriée. La région de base 25 doit avoir, entre la région émettrice et la région collectrice,
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une épaisseur inférieure à une longueur de diffusion pour des pour- teurs de charge normaux. Des épaisseurs comprises entre 50 et
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200 an8trlSlu . sont avérées satisfaisantes.
Une HJnnex10n émettrice 31 et appliquée à l'émet- tour 21 une coinemicm de base 33 est Appliquée à la base 25 et une connexion c ,1100t1'108 35 est appll'Iu'e au collecteur 29. Ces connexions dit une résistance faible et sont du type non re- dresseur.
Une première batterie 39 et une source de signal 41 sont reliées en série avec la connexion émettrice 31 et la coa-
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nexion de base J3 dans un circuit d'entrée 37* Une deuxième bat- ter1. 4$ et une charge 47 sont reliées en série avec la connexion collectrice 35 et la connexion de base 33 dans un circuit de *or- tie 43.
En fonctionnements le dispositif est placé dans un cryostat ou un autre moyen 49 servant à maintenir le dispositif
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à des températures supérieures au zéro absolu et à des températu- res auxquelles 19. région supra-conductrice ayant la plus petite bande d'énergie interdite est supra-conductrice. Le moyen
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49 peut comporter, par exemple, un récipient Isolant et un r&tr1- gérateur, comme un bain d'hélium liquide, ainsi qu'un moyen pour évaporer l'hélium liquide dans le voisinage du dispositif* De ta- gon typique.
le dispositif fonctionne au point dodbullition de l'hélium liquide ou près de celui-ci. Le moyen 49 est aussi uti- lise avec les formes d'exécution des figures 3 à 6
Quand le dispositif se trouve à sa basse température de fonctionnement., toutes les régions sont supra-conductrices. La figure 2a montre les relations entre bandes d'énergie interdites des différentes régions du dispositif sans application de signal ou de polarisation.
Le niveau de Fermi est représenté par une
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ligne en traits Interrompus 31 qui se situe au miat niveau d'énergie dans tout le dispositif. ît'éaetteur 21 présente la plus petite bande d'énergie Interdite entre les niveaux 53 et 55.
La base 25 présente une bande d'énergie interdite Intermédiaire entre les niveaux 57 et 59; ces niveaux sont utilisés comme ni- veaux de référence lors de la description donnée ci-après.
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Le collecteur 29 présente la plus grande bande d'énergie interdite entre les niveaux 61 et 63.
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Comme la région dmettrice 21 a la plus petite bande
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d'énergie Interdite, elle a aussi la plus forte densité en por-
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teurs normaux d'origine therinique, eosiae indiqua par la rérúrence 65 désignant les électrons dans la bande d'énergie au-dessus dg
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niveau 55 et par la référence désignant les-trous dans la bande
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d'énerg1'au-des$OU5 du niveau 53.
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Quand le collecteur 29 est polarisé positivement par
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rapport à la base 25e les niveaux d'énergie 61'et 63 du collée teur 29 descendent par rapport aux bandes d'énergie 57 et 59-do la base 250 comme représenté par la figure 2b. te collecteur29 est polarisa de façon que le niveau 63 se trouve à hauteur ou entri les niveaux 57 *t 59 de la base 25.
Si le niveau 63 se tr*2v*-*14- dessous du niveau 57, il y a un courant de fuît* exagéré dans 1 circuit de sortie. Si le niveau 63 se trouve ait-dessus du niveau 59, il se produit une perte dans le rendement d'extraction du col-
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lecteur 29. Quand le collecteur 29 est polarité comme indiqua
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à la figure 2b. des électrons aowiaur. sont extraits ou recueilli* de la région de base 25, ces électron; normaux ayant ét-4 produits thermiquement dana la basa 25 ou înjc-,.,t,4,s par l'émetteur %Il.
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Les niveaux d'énergie 53 et 55 de l'émetteur 21 sont
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relevés et rabaissés par la signal dû la source 41. Comas la figure 2b le r4ontrb¯, llêmettt.-ur 2: est négatif par rappora à la base 25, de sorte que les niveau'; 55 et 53 sont relevés per rap. port aux ai veaux 59 et 57 de la 11SQ 2S<.
Quand les niveaux 53 et ?5 son1* relevés., il y a un aC(.H:)1s3.llanL de l'écoulement d-46- électrons lorsaux 65 de 1 émetteur ni au travers de la prr,re eûtitîhe J$filante 23.. vers la base "'1 coasae- indiqué par la 4*làch# 67. le d*53it d'Jlectrons 65 aueaeti,,* rapide'aent quand le ni@,eau d'énergie 55 atteint le niveau d's!orgie 59 de la base 25. on relevé encore les niveaux d'ént 1 le 53 et 55s il n't a pit,s accroisse r.ant du courant à électr 'tS normaux injectés Jusqu'au
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moment où le niveau d'énergie 53 atteint le niveau d'énergie 59.
Les électrons normaux injectés dans la base 25 en sont extraits par la collecteur polarisé 29, par percement de la seconde couche isolante 27 comme indiqué par la flèche 69 de la figure 2b. Le courant It traversant la région collectrice est fonction de la ten-
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sion de commande 9c appliquée à l'émetteur 21. Par conséquent, la tension apparaissant aux bornes de la charge 47 dans le circuit de charge est urte réplique de la tension de commande ? provenant de la source 41,
En tant que dispositif, la triode super-conductrice décrite ci-avant fonctionne d'une façon semblable à un transistor.
Une polarisation appliquée entre les régions de base et collectri- ce produit un courant de sortie qui peut être module par un cou- rant circulant entre l'émetteur et la base. Il y a gain de puis-
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stance du fait que l'impédance dans le circuit de charge 43 est plus grande que celle dans le circuit de commande 37. Les impé- dances peuvent être ajustées en réglant les épaisseurs des cou- ches isolantes 23 et 27. Il y a aussi gain de puissance du fait qu'il y a une plus grande différence entre les bandes d'énergie interdites du collecteur et de la base qu'entre celles de l'émet- teur et de la buse.
Les dispositifs peuvent aussi fonctionner do la mise manière quand on utilise des trous ou lacunes au lieu d'élec- trons. A cet effet, on utilise le même circuit que représenté à la figure 1 tout en polarisant inversement les différentes régions.
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Coauae la figure 2c le montre, l'émetteur 21 est positif et le col- lecteur 29 est négatif par rapport à la base 25. Des lacunes 66 de l*Metteur 21 sont injectées dans la base 25 comme représenté par .a flèche 71, et en soit extraites par le collecteur 29 coa- ]!te1:diqu' par la floche ?3.
Le choix d3a bandes d'énergie interdites relatives de l'Jmi.teur, de la base et lu collecteur du dispositif constitue une caractéristique Importante de l'invention. En donnant au ,upr±.r.ond'.\cteur du collecteur 29 la bande d'énergie interdite la
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Plus grande coaparativeatent a celles des matières des autres r4- <ions, la densité en porteurs normaux qui contribue la produc- tion d'un courant de saturation en l'absence de porteurs normaux injectés par l'émetteur 21 dans la base 25 est nettement réduite*
Une deuxième tome d'exécution de l'invention est
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représentée dans le graphique d'énergie de là figure 3.
ta construc- tion et le fonctionnement de la deuxième forcae d'exécution sont les cernes que pour la première forme d'exécution, sauf que 1$émetteur 21 est en une matière normale, cetat-t-dire une !Mtier$ qui n'est pas un supra-conducteur* Comme métaux appropriés, on Peut citer loore l'argent et le cuivre, ou l'aluminima au-dessus de sa température critique. Sur la figure 3, 1*émetteur 21 n'a pas de bande d'énergie interdite Mais uniquement un niveau de Ferai 51. Gomme dans tous lea métaux normaux, la densité en
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électrons normaux diminue exponontiellement avec l'énergie au-des- Sus du niveau de Ferai, et la densité en lacunes normales dia3.nct exponantleliement avec l'énergie au-dessous du niveau de Ferai.
Par conséquent, quand un signal est appliqué à la région émottri- ce, le niveau de Ferai de I$émetteur 21 est relevé ou rabaissé par rapport aux niveaux 57 et 59 de la base 25, et un nombre plus ou moins grand d'électrons normaux (ou de lacunes normales) est injecté dans la base 25 de la manière décrite dans la première
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forjie d'exécution.
La vue en plan de la figure 4 et la vue en coupe de la figure 5' représentent une troisième forme d'exécution de
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l'invention. Sur ces figures, les abnes éléments portent les marnes références. La troisième forme d'exécution comporte un support électriquement isolant 75 pouvant consister en un verre au borosilicate, un verre de quartz ou une surface clivée, de mica
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par exemple, sous la forue d'une plaque carrée. Des connexion d'émetteur 31, de base 33 et de collecteur 35 en platine métallique adhèrent au support 75, sur une petite partie de surface près du milieu de chacun de trois bordsdu support.
De telles connexions
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peuvent tire préparée en recouvrant la surface avec une peinture
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de platine ou un résinât* de platine# à la brosse ou au pistolet, et en portant ensuite le support 75 et la peinture à environ 40000 de ière à volatiliser la matière organique et à faire adhérer le platine.
Un émetteur 21 en étain métallique ayant la forme d'une
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.pellicule ronde ayant un diamètre d'environ 6,,35 an. et une épaisseur arbitraire de 1000 angstr15ms par exemple, se trouve en contact avec une surface du support 75, environ au centre de celui-ci. Une lamelle d'étain métallique 77 part de la partie ron- de et recouvre la connexion émettrice 31.
La partie ronde et la
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lpeello peuvent 'être obtenues en déposant par évaporation de l'étain métallique sur une partie convenablement masquée du support 75.
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Une première couche isolante 23 d'oxyde d'alumlJ1iWl, ayant la forme d'une pellicule ronde dont le diamètre est légère- ' vent supérieur à celui de l'électrode émettrice 21 et dont l'é-
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paisseur est de 20 angstrBms environ, repose concentriquement sur l'émetteur 21.
La première couche isolante 23 peut être obtenue en déposant d'abord par évaporation de l'aluminium métallique sur une partie convenablement masquée du support 75 jusqu'à
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atteindre une épaisseur d'environ 10 angstydnsj, ceci après mise en place de l'électrode émettrice 21, et en oxydant ensuite l'aluminium métallique en l'exposant à l'air,
Une base 25 en plomb métallique, ayant la forme d'une pellicule ronde d'un diamètre légèrement supérieur à celui de
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l'émetteur 21 et d'une épaisseur d'environ 100 angstfôms, repose sur la première coucha isolante 23, concentriquement à l'électrode émettrice 21. Une lamelle 79 part de la partie ronde et re- couvre la connexion de base 33.
La partie ronde et la lamelle
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79 de la base 25 peuvent btre réalisées en une opération, en dé- posant par êvaporation du plomb métallique sur une partie conve- nablement masquée du support 75.
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Une deuxième couche isolante 27 en oxyde d'alumin1W1"
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ayant la forme d'une pellicule ronde d'un diamètre légèrement supérieur à celui de l'émetteur 21 et d'une épaisseur de 20
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angstr1SlIs environ, repose concentriquement sur la base 25, La deuxième couche isolante 27 peut être réalisée de la même façon que la première couche isolante 23.
Un collecteur 29 en niobium métallique, ayant la forme d'une pellicule ronde d'un diamètre légèrement inférieur à
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celui de l'émetteur 21 et d'une épaisseur arbitraire de 500 6z&- strias par exemple,, repose sur la deuxième couche isolante 27,
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concentriquement à la base 25. Une lamelle 81 part de la parti* ronde et recouvre la connexion de base 35.
La partie l'Onde et la lamelle du collecteur 29 peuvent être réalisées en une opération, en déposant par évaporation du niobium métallique sur une parti* convenablement masquée du support 75,
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Une des couches isolantes 25 et 2? ou ces dlfux cou- ches peuvent consister non pas en oxyde d'almainiua 8als en quartz déposé par évapoatio!1 (bioxyde de silicium) ou en vu* mince couche de stéarate de baryum ou de chrome adsorbé. sur la surface de la région immédiatement au-dessous,
La figure 4 représente schématiquement des circuits
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d'entrée et de sortie qui sont reliés au dispositif de la *%ce sa- nière qu'à la figure 1.
Le dispositif de la figure 4 fonctionne
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de la même manière que le dispositif de la fiftire 1.
Dans certains cas, il peut %*;rie souhaitable de sup- primer complètement l'interférence preduite par une petite réal.- tance de contact à la ct1W1oxion 33. Celte résistance de contact est commune aux circuits d'entrée et de sortie et établit ainsi
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un couplage passif indésirable ntre cos deux circuits. Quand ce phénomène est inadmissible, @@ peut être élimine en utilisant
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une seconde connexions de base 3 1 et une seconde patte d4i base 71)to comme représenté à la fipirt 6.
Cette solution permet de découpler les résistances de con, .et qui seraient autreîneit pré- sentes à l'endroit d'une conne11)O, commune comte la connexion 33 de la figure 4,
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TAN.EAU PrPPw
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).J'I'>raWtdQ1;eut Tç tL --'.L (millivoitt) Technetium Te) 1l,2 Z:
3,4 Niobium Nb) 8,7 2,6
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<tb> plomb <SEP> Pb) <SEP> 7,2 <SEP> 2,7
<tb>
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Lanthane ta z lt6
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<tb> Vanadium <SEP> il) <SEP> 4,9 <SEP> 1,5
<tb> Tantale <SEP> Ta) <SEP> 4,4 <SEP> 1,3
<tb> Mercure <SEP> Hg <SEP> 4,2 <SEP> 1,3
<tb> Etain <SEP> Sn) <SEP> 3,7 <SEP> 1,1
<tb> Indium <SEP> In) <SEP> 3,4 <SEP> 1,1
<tb> Thallium <SEP> T1) <SEP> 2,4 <SEP> 0,7
<tb> Rhénium <SEP> Re <SEP> 1,7 <SEP> 0,5
<tb>
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'thorium oh 1,4 0,4 Alumînium Ai 1,2 0,3
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<tb> Gallium <SEP> (Ga <SEP> 1,1 <SEP> 0,3
<tb>
<tb> Zinc <SEP> Zn <SEP> 0,9 <SEP> 0,3
<tb>
<tb> Uranium <SEP> U) <SEP> 0,8 <SEP> 0,2
<tb>
<tb> Osmium <SEP> Os <SEP> 0,7 <SEP> 0,2
<tb>
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Z1rconlwa Zr 0,<? 0,2
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<tb> Cadmium <SEP> Cd <SEP> 0,6 <SEP> 0,2
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<tb> Ruthénium <SEP> Ru <SEP> 0,5 <SEP> 0,1
<tb>
<tb> Titane <SEP> Ti <SEP> 0,4 <SEP> 0,
1
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<tb>
<tb> Hafnium <SEP> Hf <SEP> 0,4 <SEP> 0,1
<tb>
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+ (Bande d énergie interdite à T=0*'C mesurée par percement du prb, Sn, Inp et Al. Pour les autres metaax elle est suppo- sûre être 3,5 T où K * 0,086 ml11ivolts7degr' : constante de Boltzmaxin), REVENDICATIONS.
1.- Dispositif électronique comprenant une première région en une matière choisie dans le groupe des matières normale. et supra-conductrices. une deuxième région en un supra-conducteur ./parée de la première région par une première couche mince élec- triquement isolante, et une troisième région en un supra-conduc- teur séparée de la deuxième région par une seconde couche mince électriquement isolante, la troisième région ayant une bande d'énergie interdite pour les porteurs de charge normaux plus grande que celle de la deuxième région, tandis que la première région a une bande d'énergie interdite pour les porteurs de charge normaux plus petite que celle de la deuxième région.