Circuit électrique comprenant au moins un dispositif semi-conducteur à jonction P-N La présente invention a pour objet un cir cuit électrique comprenant au moins un dispo sitif semi-conducteur à jonction P-N.
On sait qu'il existe des dispositifs semi conducteurs dont les caractéristiques de con- duction inverse comprennent non seulement une région à haute résistance, mais aussi une région bien définie à tension pratiquement constante ayant une conductance élevée.
Des dispositifs semi-conducteurs de ce genre ont été déjà décrits par G. L. Pearson et B. Sawyer dans un article Diodes à al liage de silicium à jonction P-N <I> ,</I> publié dans la revue Proceedings of the IRE de novem bre 1951. Ces dispositifs comprennent un corps unique d'une matière semi-conductrice pré sentant deux régions de types de conductibilité opposés, séparées par une étroite zone de tran sition de la matière d'un type de conductibilité à la matière du type de conductibilité opposé. Une électrode forme une connexion électrique pour chacune des deux régions.
Il est connu que les dispositifs semi-conduc teurs bipolaires du genre susmentionné pos sèdent des propriétés de conductibilité dissy métriques, en d'autres termes qu'ils ont des propriétés rectifiantes et que ces dispositifs ont été dénommés diodes, ou redresseurs, à jonction P-N. Parmi les substances plus communément employées pour de tels dispositifs, il faut men tionner le germanium et, plus récemment, le silicium. Dans le cas du germanium, les pro priétés utiles des dispositifs qui seront décrits ci-après ne doivent pas être confondues avec la résistance négative qui se manifeste dans les diodes à, contacts ponctuels, lorsqu'on les fait fonctionner en un point assez éloigné dans la direction inverse.
Cette résistance négative est provoquée par des effets de température, et cela, croit-on, n'est pas le cas pour les caractéristiques à tension constante qui seront décrites par la suite.
L'article cité plus haut décrit une propriété des dispositifs à jonction P-N, qui n'avait pas été utilisée auparavant, et propose de nou veaux circuits pour l'exploiter. En d'autres ter mes, la caractéristique de conduction inverse des dispositifs à jonction P-N présente une région à tension substantiellement constante, inférieure à la tension de claquage, et cela pour une vaste gamme de courants.
Les prin cipaux caractères de cette propriété sont que le passage, dans la caractéristique de- conduc- tion inverse, d'une très haute résistance à une basse résistance pour les courants alternatifs, à une tension approximativement constante, est très brusque et que la tension inverse cri- tique pour laquelle la caractéristique change brusquement est très stable, non seulement avec la durée de vie, mais aussi avec les varia tions de température. De plus, cette tension critique au coude de la caractéristique peut être calculée d'avance, et, par une cons truction appropriée, elle peut être obtenue pour n'importe quelle tension désirée, de quelques volts à un millier de volts.
Un moyen d'obtenir une tension critique particulière est de contrôler le gradient de concentration dans la zone de transition, par exemple, soit en contrôlant la largeur de la zone de transition, soit en réglant la conduc- tibilité inhérente de la substance semi-conduc trice employée, par exemple en réglant la quantité d'impuretés ajoutées à la matière. Avant la découverte et la réalisation, dues à Shockley, de cette région à tension constante dans la caractéristique de conduction inverse, la tension critique était tellement élevée, pro bablement un millier de volts ou davantage, que les dispositifs fonctionnant dans cette condition inverse auraient été limités par des effets thermiques, et auraient été probablement détériorés.
Maintenant, toutefois, on peut réa liser des dispositifs avec des tensions inverses critiques très basses, en leur donnant une vaste application où une telle propriété est utile.
On a avancé l'hypothèse que le brusque passage d'une haute résistance inverse à une faible résistance à tension substantiellement constante, est dû à des effets semblables à ceux qui ont été décrits par Zener (Proceedings of the Royal Society, 523, Londres 1934) pour la rupture des isolateurs.
C'est pourquoi ces dispositifs sont dénommés parfois diodes Zener , et la tension inverse critique est dési gnée comme tension Zener . Selon une autre théorie, les liaisons qui maintiennent étroite ment les électrons dans leur structure cristal line sont brisées à un gradient de tension critique, en libérant une avalanche d'électrons qui servent comme transporteurs de courant. Cependant, une connaissance exacte ou com plète de la théorie qui explique ces nouvelles propriétés n'est pas nécessaire à la compréhen sion du présent mémoire.
Le circuit électrique selon l'invention com prend au moins un dispositif semi-conducteur à jonction P-N <I>;</I> il est caractérisé en ce que ce dispositif présente une tension inverse critique et est relié à un élément à conduction dissy métrique monté en opposition par rapport à ce dernier et en ce qu'il comprend une source de tension délivrant une tension qui est, au moins par intermittence, supérieure à la tension inverse critique dudit dispositif à jonction P-N.
Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple, quelques formes d'exécution de l'objet de l'invention la fig. 1 représente un dispositif semi conducteur à jonction P-N, monté dans un circuit permettant de relever ses caractéristi ques de conduction ; la fig. 1A montre une coupe longitudinale du dispositif semi-conducteur de la fig. 1 ; la fig. 2 montre les caractéristiques de conduction de plusieurs dispositifs à jonction P-N, caractéristiques obtenues au moyen du circuit de la fig. 1 ;
les fig. 3 et 4 représentent schématique ment deux formes d'exécution de l'objet de la présente invention ; la fig. 3A est un diagramme tension-cou- rant relatif au circuit de la fig. 3 ; la fig. 5 représente un circuit d'appel complètement sélectif pour une installation à quatre postes d'abonnés, ce circuit constituant une autre forme d'exécution ; les fig. 6, 7, 8, 9 et 10 représentent d'autres formes d'exécution de l'objet de l'invention, dans lesquelles un dispositif semi-conducteur à jonction P-N est monté en série avec un second élément à conduction dissymétrique ;
les fig. 6A et 7A sont des diagrammes qui serviront à expliquer les propriétés des circuits des fig. 6 et 7 ; les fig. 8A et 8B servent à expliquer les propriétés du circuit de la fig. 8 ; les fig. 9A à 9D servent à expliquer les propriétés du circuit de la fig. 9 ;
la fig. 9E est une variante du circuit de la fig. 9 ; et les fig. 11, 12, 13 et 14 montrent d'autres formes d'exécution, dans lesquelles il y a une connexion allant au/ou partant du point de connexion d'un dispositif à jonction P-N et d'un second élément à conduction dissymé trique.
Le dispositif semi-conducteur 11, repré senté à la fig. 1, présente une jonction P-N formée dans un corps unique en une matière semi-conductrice, dont une partie est du type de conductibilité P et une autre partie est du type de conductibilité N. A la surface de sépa ration des parties de type P et de type N, le corps 11 présente une mince zone de transition, c'est-à-dire une zone dans laquelle la matière passe progressivement d'un type de conducti- bilité à l'autre type de conductibilité. Les électrodes 12 et 13 constituent des connexions ohmiques appliquées aux parties de type P et de type N du corps 11.
Il convient de remarquer que la fig. 1 ne représente pas la structure réelle du dispositif à jonction P-N, mais qu'elle est simplement une représentation symbolique de ce dispositif. Ce dernier peut être obtenu en tréfilant et en modifiant la matière semi-conductrice.
La fig. 1A montre une coupe longitudinale d'un dispositif obtenu cette fois par un procédé d'alliage, qui présente également les caracté ristiques voulues dans le domaine de conduc- tion inverse. Ce second dispositif est constitué par un cristal homogène 14 de silicium de type N, une électrode 15 d'aluminium étant alliée au cristal en le chauffant et en le mettant en contact avec l'aluminium. Ce type de dis positif est décrit plus en détail dans l'article de Pearson-Sawyer cité précédemment.
Selon une hypothèse qui a été avancée, la jonction P-N, ayant la configuration générale montrée au dessin, serait formée pendant le cycle de refroidissement et serait située entre le silicium non fondu et l'alliage solidifié d'aluminium et de silicium. Une seconde électrode métallique 16, qui peut être en or, est en contact avec la face opposée du cristal 14. Le symbole utilisé à la fig. 1 est employé dans toutes les autres figures du dessin pour représenter d'une manière géné rale un dispositif qui possède les caractéristi ques qui seront décrites ci-après.
Au moyen du double inverseur 19 (fig. 1), les tensions d'une polarité ou de l'autre de la batterie 20 peuvent être appliquées au dispo sitif à jonction P-N 11. Au moyen de la résistance variable 21, la valeur de ces ten sions peut être variée. La résistance 22 limite à une valeur convenable le courant qui tra verse le dispositif 11.
La fig. 2 représente deux caractéristiques typiques de deux de ces dispositifs, qui peu vent être obtenues au moyen du circuit de la fig. 1. On a porté les valeurs des courants et celles des tensions à une échelle logarithmi que, afin de montrer plus clairement la région de saturation dans le domaine de conduction inverse. Dans la région de ce domaine qui est comprise entre la tension zéro et le coude brus que de chaque courbe, les caractéristiques cor respondent à celles de résistances très élevées. En effet, si l'on avait employé une échelle linéaire, ces parties de courbe se seraient réduites à des lignes verticales presque confon dues avec l'axe des ordonnées représentant les tensions.
Dans la région située à droite de la région précédente, la caractéristique devient pratiquement horizontale ; autrement dit, le dispositif à jonction présente alors une faible résistance aux courants alternatifs et cela sur un vaste domaine de courants dans lequel la tension reste pratiquement constante. Bien que l'écart entre les tensions inverses V, et V, apparaisse nettement à l'échelle logarithmique qui a été utilisée, il y a lieu de remarquer en core que, si l'on avait employé une échelle linéaire, il aurait été encore plus marqué.
Les dispositifs que l'on va décrire utilisent la caractéristique qui vient d'être décrite. Ainsi qu'il a été dit, en construisant de manière convenable le dispositif à jonction P-N, et, surtout, en réglant de manière appropriée le gradient de concentration dans la zone de transition, on peut réaliser un dispositif pour n'importe quelle valeur de V, choisie dans une vaste gamme. Il y a lieu de remarquer que les caractéristiques de conduction directe sont les mêmes que celle des diodes conven tionnelles à jonction P-N et ne diffèrent que très peu entre elles.
Le dispositif semi-conducteur à jonction P-N représenté à la fig. 3 est connecté en série avec une source de tension 32 et avec un élément 33 à conduction dissymétrique, qui peut être constitué par une diode ordinaire, soit du type à vide, soit du type à cristal. Cet élément est monté de façon à empêcher le passage des courants directs du dispositif à jonction P-N 31, la conduction directe dans ce dernier s'effectuant à travers la jonction, de la région de type P à la région de type N lorsque la région N est plus négative que la région P.
La tension critique du dispositif à jonction P-N est V, et la source de tension 32 produit des tensions d'une valeur supérieure à V,, de manière intermittente. Un circuit de charge 35 et une résistance 36 qui limite le courant sont branchés en série avec le dispo sitif à jonction P-N 31 et avec l'élément à conduction dissymétrique 33. Pour toutes les tensions positives, c'est-à-dire pour les tensions qui polarisent-la région P positivement par rapport à la région N, le dispositif à jonction P-N devient conducteur, mais la diode 33 empêche alors le passage du courant de la source 32 vers la charge 35.
Pour toutes les tensions inverses, inférieures à V,, le dispositif à jonction P-N 31 devient une résistance très élevée et empêche également le passage du courant vers la charge. Toutefois, si la ten sion appliquée au dispositif 31 devait dépas ser, dans le sens négatif, -V,., le dispositif à jonction P-N fonctionnerait dans la région de basse résistance à tension constante, et, puisque la diode 33 fonctionne alors dans son sens direct, le courant, limité par la résistance 36, passera à travers la charge.
Un second dispositif à jonction P-N, ayant les polarités disposées dans le même sens, peut être branché en série avec le premier dispositif. Dans cette disposition, la tension critique totale est pra tiquement la somme des deux tensions critiques.
La combinaison du dispositif à jonction P-N 31 et de la diode 33, connectés en série, bloque donc le passage du courant dans une direction et le laisse passer dans l'autre di rection, pourvu que les tensions appliquées dépassent une valeur de seuil. La courbe carac téristique de cette disposition est représentée par la ligne en trait plein du diagramme de la fig. 3A. Une brusque transition de l'impé dance, et donc de la conduction, est obtenue au moyen d'éléments purement passifs qui ne nécessitent pas d'être polarisés au moyen d'une source de tension continue. De plus, le seuil pour lequel cette transition a lieu dans la région de tension inverse, est une tension négative dans le cas décrit.
Si le dispositif dissymétrique 33 était aussi un dispositif à jonction P-N présentant une région de tension constante dans sa caractéristique inverse, ce second dis positif devrait être choisi avec une tension inverse supérieure à la tension positive maxi mum qui peut être appliquée, si l'on désire bloquer tout passage de courant dans la direc tion directe du premier dispositif à jonction P-N. Si, toutefois, l'on désire que le courant passe à travers le dispositif en réponse à des tensions positives supérieures à une valeur de seuil V,, et en réponse à des tensions néga tives supérieures à - V,
il faut alors rempla cer la diode 33 par un dispositif à jonction P-N semblable au dispositif 31, mais présentant une tension inverse critique égale à Ce dernier dispositif doit aussi être monté en opposition pour les courants directs avec le premier dispositif à jonction P-N. Avec ce dernier montage, la courbe caractéristique de la combinaison devient la courbe de la fig. 3A modifiée par la ligne pointillée.
Comme le circuit de charge 35 est monté en série avec le dispositif à jonction P-N 31 et avec la diode 33, le dispositif à jonction P-N et la diode agissent plutôt à la manière d'un interrupteur qui permet que du courant tra verse le circuit de charge lorsque l'interrupteur est fermé, c'est-à-dire lorsque la tension inverse critique du dispositif à jonction P-N est dépas- sée. Si la charge 35' (voir fig. 4) et la résis tance 36' limitant le courant sont branchées en parallèle avec les éléments à conduction dissymétrique 31' et 33', on obtient des carac téristiques différentes.
Le circuit de charge absorbera du courant qui correspond linéaire ment à la tension d'entrée fournie par la source pour toutes les tensions positives qui pola risent la diode 33' de façon qu'elle ait une forte résistance, et pour les tensions négatives inférieures à la tension inverse critique du dis positif à jonction P-N 31', qui polarisent semblablement ce dernier dispositif. Pour les tensions négatives supérieures à cette valeur critique, le dispositif à jonction P-N 31' limite la tension appliquée à la charge et à la résis tance en série, à une valeur à peu près égale à celle de sa tension inverse critique, puisque la diode 33', dans ces conditions, présente une résistance très basse.
La fig. 5 montre un circuit d'appel complè tement sélectif se trouvant dans une installation téléphonique comprenant quatre postes d'abon nés réunis à une seule ligne. Le générateur 41, dont une borne est mise à la terre, fournit une tension d'appel dont la fréquence est de 20 cy- cles/s et la valeur efficace est de 90 V. Une tension continue de polarisation, qui se super pose au courant d'appel est fournie par l'ins tallation d'alimentation du bureau central, c'est-à-dire par la batterie 42, la polarité de cette tension peut être inversée au moyen de l'inverseur bipolaire 43.
Au moyen de l'inverseur 44, le courant alternatif du signal d'appel et le courant con tinu de polarisation peuvent être appliqués, à travers le relais 40, à l'un ou à l'autre des conducteurs de la ligne.
Les postes 45 à 48 des quatre abonnés comprennent les récepteurs et les microphones usuels et sont branchés sur les deux conduc teurs 49 et 50 de la ligne, qui ne sont pas mis à la terre. Chaque poste d'abonné est pourvu d'un sonnerie de type ordinaire, bran chée entre un des conducteurs de la ligne et la terre. Deux sonneries, 51 et 52, sont connec tées au conducteur 49 de la ligne et celles des deux autres postes, 53 et 54, sont connec- tées à l'autre conducteur 50. Les microtélé- phones des postes forment un circuit ouvert lorsque le courant d'appel est appliqué, comme cela se fait ordinairement.
La sonnerie de chaque poste est branchée en série avec un dispositif à jonction P-N du type décrit plus haut et une diode usuelle à grande résistance inverse, montée en opposi tion pour les courants directs. Sur la fig. 5, les dispositifs à jonction P-N des postes d'abon nés sont indiqués par les chiffres 55 à 58 et les diodes par les chiffres 59 à 62, respec tivement.
Le fait que deux sonneries sont connectées à un des conducteurs de la ligne, et les deux autres à l'autre conducteur, permet d'obtenir une présélection lorsqu'on applique le courant d'appel à l'un ou à l'autre des conducteurs. Le fait que le sens de branchement des dispositifs à jonction P-N connectés au même conducteur de la ligne n'est pas le même permet d'appli quer la tension d'appel au poste voulu en appliquant, au moyen du commutateur 43, la polarité correcte à la ligne du poste. que l'on veut appeler.
On suppose que les dispositifs à jonction P-N ont à peu près la même tension critique inverse de<B>-70</B> volts, ce qui signifie qu'à cette tension leur caractéristique change brus quement de pente. On suppose, en outre, que la batterie 42 a une tension nominale de 48 volts et que la tension aux bornes du géné rateur d'appel qui fonctionne à 20 cycles/s est de 90 volts. Enfin, on prendra des sonne ries de type courant ayant une résistance série effective de 2000 ohms, et absorbant-un cou rant de 3 mA. Les pertes de la ligne ne sont pas prises en considération.
Si, maintenant, on applique au conducteur 49, par rapport à la terre, la tension continue de -I- 48 volts et la tension alternative de 90 volts, la tension instantanée dans ce conduc teur varie d'un maximum positif de -I-175 volts à un minimum négatif de - 79 volts, et, si l'on tient compte de la chute de tension dans la sonnerie, la variation de tension est alors de -I-115 volts à -19 volts, ce qui permet d'obtenir le changement de caractéristique des dispositifs à jonction P-N. Les sonneries 53 et 54 ne sont pas excitées, puisqu'elles sont branchées entre le conducteur 50 et la terre.
La sonnerie 52 reste également inactive, puis que, dans la demi-alternance positive, la diode 60 bloque le courant et dans la demi-alternance négative les crêtes de tension ne sont pas suf fisantes pour amener le dispositif 56 dans l'état de conduction inverse à tension constante. La sonnerie 51, au contraire, est excitée car le dispositif 55 est amené dans la région de ten sion constante par les alternances positives. (Pour une chute de tension de 60 volts aux bornes de la sonnerie, dont 48 sont fournis par le courant continu de polarisation, le dis positif 55 est une basse résistance sur la plus grande partie de la demi-alternance positive.) En manoeuvrant l'inverseur 43, on applique au conducteur 49 la tension continue de - 48 volts et la tension alternative de 90 volts.
Les valeurs des crêtes de tension sont mainte nant -I-79 volts et - 175 volts, respective ment, et, dès lors, la sonnerie 52 est excitée pendant la plus grande partie des alternances négatives.
En manoeuvrant le commutateur 44, on peut appliquer au conducteur 50, soit une ten sion continue de -I- 48 volts à laquelle est superposée la tension alternative d'appel de 90 volts, soit une tension continue de -48 volts à laquelle est superposée la même tension d'appel ; il s'ensuit qu'une des deux sonneries, 53 ou 54, est excitée, à l'exclusion des autres. En résumé, en appliquant une tension de 48 volts continus à l'un ou l'autre des con ducteurs de la ligne, on obtient l'appel sélectif de l'une des deux sonneries, et, par conséquent, l'appel sélectif d'un des quatre postes d'abon nés.
Le circuit d'appel sélectif décrit ci-dessus est semblable, à certains égards, aux circuits d'appel sélectifs qui utilisent des tubes à gaz. Cependant, le circuit d'appel sélectif décrit plus haut présente plusieurs avantages sur les cir cuits employant des tubes à gaz. Ainsi, par exemple, les dispositifs à jonction P-N peu vent être prévus pour des tensions inverses critiques comprises dans une gamme bien plus grande que celle des tensions d'amorçage des tubes<I>à gaz.</I> De plus, cette tension critique peut être maintenue, par rapport à une valeur déterminée, avec des tolérances plus serrées que les tensions d'amorçage des tubes à gaz.
Cela simplifie la construction des longs cir cuits, puisqu'il ne faut prévoir, pour compen ser les variations de la tension critique, qu'une fraction relativement petite de la tension d'ap pel fournie par le bureau central, ce qui laisse disponible une plus grande fraction pour com penser les pertes de la ligne. La construction des sonneries est également simplifiée, puisque la tension qui leur est appliquée est la diffé rence entre la tension fournie par le central et la chute de tension aux bornes des éléments de sélection (éléments 55 à 62 sur la fig. 5), diminuée des chutes de tension provoquées par les pertes dues aux fuites et dans la ligne.
Les dispositifs P-N sont aussi très stables aux variations de température ; ils sont robustes, d'encombrement réduit et ont une longue durée de vie. La fig. 6 et le diagramme de la fig. 6A se rapportent à une autre forme d'exécution dans laquelle un dispositif semi-conducteur 71. à jonction P-N, du type décrit, est en série avec une diode 72 à haute résistance inverse, montée en opposition, dans un circuit redres sant une alternance. Les signaux d'entrée néga tifs provenant de la source 73, c'est-à-dire ceux qui rendent négative la borne a par rapport à la borne b, ne sont pas transmis par la diode 72 de type courant qui, pour ces signaux, est polarisée dans son état inverse.
Les signaux d'entrée positifs, inférieurs à la tension inverse critique V,. du dispositif à jonction P-N <I>71,</I> sont bloqués par ce dernier, de sorte que la résistance de charge n'est parcourue par du courant que si les signaux d'entrée sont positifs et dépassent la tension inverse critique du dis positif à jonction P-N. Lorsque le montage est conducteur, la transmission se fait de façon linéaire.
Les parties en traits pleins de la courbe de la fig. 6A représentent le courant dans la résistance 74, et les lignes en pointillé repré sentent la tension d'entrée. Si la diode 72 et le dispositif à jonction P-N <I>71</I> sont tous deux renversés, des résultats semblables sont obtenus pour les crêtes des alternances négatives.
Dans le circuit de la fig. 7, il y a deux paires de dispositifs montés en opposition, 75 76 et 77-78 ; ils sont connectés de manière à former un circuit redressant les deux alter nances. La fig. 7A montre la forme de l'onde de sortie. L'adjonction de la seconde paire de dispositifs 77-78 montés en opposition permet aux tensions négatives qui dépassent la tension inverse critique V, du second dis positif à jonction P-N de faire passer un cou rant dans la résistance de charge. La conduc- tion dans la résistance de charge Rr est unidirectionnelle, et a lieu pour des périodes limitées.
Les circuits représentés aux fig. 6 et 7 peuvent être employés lorsqu'on veut compter combien de fois des tensions sont supérieures à une valeur déterminée (par exemple dans des circuits comportant des impulsions de bruit) ou lorsqu'on veut éviter la transmission de tensions inférieures à une valeur établie (par exemple dans des circuits de transmission d'impulsions où il est désirable de transmettre les impulsions qui dérivent d'un signal, mais non celles qui résultent du bruit).
Les circuits décrits jusqu'ici illustrent des dispositifs de contrôle qui emploient un dispo sitif à jonction P-N ayant des caractéristiques telles que celles décrites précédemment et dis posé en série avec un second élément à con- duction dissymétrique, qui peut ou non avoir une région de tension constante dans sa carac téristique. D'autres formes d'exécution seront décrites maintenant.
Dans le montage de la fig. 8, on emploie dans un circuit quadripôle en T, un dispositif à jonction P-N 81, ayant une tension inverse critique déterminée, connecté en série avec une diode ordinaire 82 empêchant le passage des courants directs du dispositif 81. Deux diodes usuelles 83 et 84, semblablement orien tées, forment les bras supérieurs du circuit en T. La base du T est mise à la terre. Ce circuit quadripôle fonctionne comme atténua- teur, ainsi qu'on peut s'en rendre compte en examinant les conditions de cônduction des différents éléments dissymétriques en réponse aux tensions d'entrée positives et négatives.
Les signaux d'entrée positifs, au-dessous de la ten sion inverse critique du dispositif à jonction P-N, sont transmis pratiquement sans pertes. Pour ces signaux, en effet, les bras supérieurs du circuit présentent une faible impédance et la branche shunt présente une haute impé dance.
.Si le signal positif d'entrée devait dé passer la tension inverse critique du dispositif à jonction P-N, ce dernier fonctionnerait dans la région à tension constante de sa caractéris tique, et réduirait l'impédance shunt du circuit en T, de sorte que le signal d'entrée positif serait ramené à un niveau pratiquement égal à la tension inverse critique du dispositif à jonction P-N. En réponse aux signaux d'entrée négatifs, le circuit présente une haute impé dance d'entrée. Une certaine atténuation a lieu puisque les diodes disposées dans les bras supérieurs du T présentent une haute impé dance en série et le bras shunt présente aussi une résistance élevée, c'est-à-dire celle de la haute résistance inverse de la diode 82.
En éliminant la diode 82 (voir fig. 13), on obtient une atténuation plus sensible des signaux d'en trée négatifs.
Les fig. 8A et 8B facilitent l'explication du fonctionnement de ce circuit. Des figures semblables peuvent être employées pour étu dier les autres circuits et avoir de la sorte une vision complète de leurs possibilités d'emploi.
Sur le diagramme de la fig. 8A, on a tracé, à une échelle logarithmique, la courbe de l'impédance en courant alternatif de chaque bras en fonction de la tension appliquée, posi tive et négative, c'est-à-dire en fonction du potentiel de la borne a par rapport à la borne<I>b.</I> Les bras en série<I>A</I> et C ont chacun la caractéristique d'une diode ordinaire, tandis que le bras en parallèle B présente une brusque variation d'une haute impédance à une basse impédance, non pas pour une tension nulle, mais pour une tension positive V,,
c'est-à-dire pour la tension inverse critique du dispositif à jonction P-N. La fig. 8B donne une image visuelle de l'impédance effective présentée par chaque bras pour plusieurs gammes de tensions. Chaque bloc de la fig. 8B est disposé au-dessous de la gamme de tensions correspondante de la fig. 8A.
Puisque l'impédance de chaque bras peut être de l'ordre de quelques centaines de milliers d'ohms ou seulement de quelques cen taines d'ohms, avec un brusque passage d'une valeur à l'autre, il convient, pour simplifier, de désigner simplement ces impédances comme élevées ou faibles . Pour bien faire res sortir les variations qu'on peut obtenir au moyen du circuit représenté, la figure indique également les basses impédances qui existent lorsque le dispositif à jonction P-N fonctionne à basse résistance et à tension constante, et ces impédances sont indiquées par Z faible (tension constante) . S'il n'y avait pas l'élé ment 81, on n'aurait que deux impédances possibles, une élevée et l'autre faible.
En ajou tant cet élément, on obtient une troisième impédance possible.
Les fig. 8A et 8B permettent de déterminer facilement les caractéristiques de transmission du circuit lorsqu'on connecte différentes char ges aux bornes<I>c et d.</I> On va considérer main tenant le cas où une charge ZL à haute impé dance, de l'ordre de quelques centaines de milliers d'ohms, c'est-à-dire de l'ordre des impédances élevées du circuit est connectée à sa sortie.
Dans la région 1, le bras A et le bras C du circuit en T, ainsi que la charge, agissent à la manière d'un circuit diviseur de tension, et la tension aux bornes de la charge sera approximativement (pour ZL > ZL +Z,.)
EMI0008.0012
où ZL, Z_1 et Zc sont respectivement les impé dances de la charge, du bras A et du bras C, et ES est la tension appliquée aux bornes a et b.
Dans la région<I>II,</I> la transmission d'énergie vers la charge s'accroît notablement, et la ten sion aux bornes de la charge est approximati vement E.s. Dans la région<I>III,</I> la faible im- pédance shunt du bras B produit une atténua tion considérable. En résumé, avec une charge à forte impédance branchée aux bornes c et d, les signaux d'entrée sont fortement atté nués dans les régions<I>1 et 1l1</I> et peu dans la région<I>II.</I>
Considérons maintenant le cas où la charge est à faible impédance. L'atténuation sera, dans la région 1, plus grande qu'elle ne l'était dans le cas d'une haute impédance de charge. Dans la région 11, l'atténuation sera inférieure à celle de la région 1, mais quelque peu supérieure à celle qui se produit avec une haute impé dance de charge, car, dans le cas d'une charge à basse impédance, l'effet des bras en série A et C est relativement plus grand qu'avec une charge à haute impédance. L'atténuation dans la région<I>1I1</I> est sensiblement plus grande que dans la région<I>II,</I> mais, là aussi, elle est supé rieure à celle qui se produit avec une haute impédance de charge.
Il y a lieu de remarquer qu'une impédance élevée est maintenue aux bornes d'entrée et de sortie, indépendamment des valeurs de la charge, pour toutes les valeurs de la tension qui sont au-dessous de ces impédances tombant à des valeurs relativement basses pour des tensions positives d'entrée de valeur supé rieure.
Le circuit de la fig. 9, qui est un circuit en a, permet d'obtenir d'autres variations dans les caractéristiques de transmission ; il com prend deux ensembles formés chacun par un dispositif semi-conducteur à jonction P-N pos sédant les caractéristiques inverses décrites et monté en série avec une diode ordinaire arrê tant les courants directs du dispositif à jonc tion P-N. Dans ce circuit, un de ces ensembles est monté dans chacun des bras en shunt A et C. tandis que le bras en série comprend un troisième dispositif à jonction P-N présen tant également la caractéristique unique repré sentée à la fig. 2.
Le bras d'entrée A présente une haute impédance jusqu'à ce qu'une valeur de la tension d'entrée, déterminée par la résis tance inverse critique du dispositif à jonction P-N 91, soit atteinte et, lorsqu'elle est dépas- sée, l'impédance de ce bras est fortement réduite. Le passage du courant peut, si l'on veut, avoir lieu à travers le dispositif 92 bien au-dessous de cette valeur, en choisissant pour ce bras un dispositif ayant une plus basse tension inverse critique. Le point de conduction pour le bras shunt de sortie peut être rendu égal, plus grand ou plus petit que celui du bras d'entrée, ce qui modifie de manière cor respondante les caractéristiques de transmis sion du circuit.
La façon d'expliquer utilisée pour la fig. 8 peut être également utilisée pour la fig. 9, même si, dans le cas de la fig. 9, il faut consi dérer trois variables, c'est-à-dire les tensions inverses critiques de chacun des dispositifs à jonction P-N 91, 92 et 93. La présence d'autres variables exige simplement des figures sup plémentaires pour étudier les caractéristiques dans les différents cas possibles. Pour simpli fier les raisonnements, les dispositifs 91 et 93 seront supposés avoir la même tension inverse critique V,.. Dans le cas des fig. 9A et 9B, le dispositif à jonction P-N <I>92</I> a une tension inverse critique V',. plus grande que V,..
Les caractéristiques de chaque bras sont montrées à la fig. 9A, tandis que la fig. 9B montre les impédances effectives des différents bras.
Dans la région 11 de la fig. 9B, le bras C sera ou ne sera pas une haute impédance ; cela dépend de la valeur de sa tension inverse critique et de la valeur de la haute impédance du bras B. Cela est dû au fait que le bras C n'est une basse impédance que si la tension à ses bornes dépasse, dans le sens négatif, la tension inverse critique du dispositif à jonc tion P-N 93. Par conséquent, l'impédance du bras B peut être assez élevée pour abaisser la tension aux bornes du bras C jusqu'à une valeur qui est insuffisante pour maintenir très conducteur le dispositif 93, de sorte que ce bras constitue également une haute impédance.
Si une impédance de charge élevée est branchée entre les bornes de sortie, le circuit causera une grande atténuation dans la région 1, à cause de la basse impédance en parallèle du bras C. Si, dans la région II, le bras C devient une haute impédance, l'atténuation dé- croit, mais si ce bras est maintenu à une basse impédance, l'atténuation augmente alors à une valeur qui est même supérieure à celle de la région 1. Un effet de division de tension est obtenu dans la région<I>111,</I> la tension aux bornes de la charge étant approximativement
EMI0009.0016
où E,s est la tension d'entrée. L'atténuation dans la région<I>IV</I> sera relativement basse, sensiblement plus basse que dans chacune des trois autres régions.
Des résultats semblables peuvent s'obtenir avec une basse impédance de charge, bien que l'atténuation dans chaque cas soit quelque peu inférieure à celle obtenue avec une impédance de charge élevée.
Les impédances d'entrée et de sortie sont basses, pour l'un ou l'autre des types de ter minaisons, pour toutes les tensions négatives supérieures à V,, et elles sont élevées pour toutes les tensions positives, ainsi que pour toutes les tensions négatives inférieures à TV, Les fig. 9C et 9D représentent le cas où la tension inverse critique V',, du dispositif 92 est inférieure à la tension V, des dispositifs en shunt.
Le résultat est que, d'une part, il se produit un changement marqué dans la carac téristique de transmission pour les tensions négatives dans une gamme très étroite de ten sions comprises entre V, et V% et que, d'autre part, la transmission est facile pour toutes les tensions positives d'entrée. Cela apparaît clai rement à la fig. 9D.
En examinant cette figure, on peut voir que, dans la région<I>II,</I> le circuit a une basse impé dance série et de hautes impédances shunt, ce qui produit la région de transmission facile mentionnée ci-dessus. Les régions<I>I</I> et<I>1I1,</I> qui sont disposées de part et d'autre de la région 11, sont identiques à celles correspondantes de la fig. 9B et produisent une atténuation consi dérable par rapport à celle causée par la ré gion<I>II.</I> Cela offre des possibilités d'emploi dans les installations de transmission à impul- sions codées,
où il est désirable de transmettre les impulsions dans une ou plusieurs gammes distinctes. Ce circuit définit plusieurs gammes distinctes sans qu'il soit nécessaire de prévoir une source de tension produisant une polari sation en courant continu et il n'utilise que des éléments passifs.
Un dispositif présentant une région de grande conductivité dans une gamme de ten sions négatives seulement peut être utilisé comme circuit trieur de tension. Pour obtenir un tel circuit à partir du dispositif que l'on vient de décrire, on ajoute la diode 94 représentée à la fig. 9E. Ainsi il n'y a plus de région à grande conductivité pour les ten sions positives. Grâce à cette disposition, le circuit de la fig. 9E ne transmet avec un mini mum de pertes que des tensions comprises dans la gamme - V, à - V',.
On peut aussi éliminer la diode 90, afin que le circuit présente une faible impédance de sortie dans la région<I>IV.</I>
Un circuit semblable est représenté à la fig. 10. Les bras en série A et C de ce circuit en T comprennent les dispositifs à jonction P-N 95 et 97 qui sont en série avec une diode ordinaire 96 ou 98, montée de façon à arrêter les courants directs des dispositifs 95 et 97. Les dispositifs à jonction P-N des deux bras A et C sont montés en sens contraires l'un par rapport à l'autre, comme indiqué à la fi-. 10. Le bras en shunt comprend un troi sième dispositif à jonction P-N 99. Si, pour ce circuit, on dessine des figures semblables aux fig. 8A à 8C et 9A à 9F, on voit que ce circuit cause une atténuation élevée sur tous les signaux d'entrée.
Par un choix convenable des dispositifs à jonction P-N, on peut obtenir différentes combinaisons de hautes et basses impédances d'entrée et de sortie. Ainsi, par exemple, si les trois dispositifs ont tous trois la même tension inverse critique V,, l'impé dance d'entrée Z11 sera élevée pour toutes les tensions négatives ainsi que pour les tensions positives inférieures à V,, et l'impédance de sortie Z22 sera élevée pour toutes les tensions positives et pour les tensions négatives infé rieures à - V,
. Les fig. 11 à 14 montrent des quadripôles comprenant des dispositifs semi-cônducteurs à jonction P-N et des diodes ordinaires à haute résistance inverse montés en série avec ces derniers. Dans chacun de ces circuits, il y a au moins une connexion partant d'un point de jonction disposé entre un dispositif semi conducteur et la diode correspondante pour aboutir à une borne extérieure du quadripôle. Dans le circuit de la fig. 11, la borne de sor tie d est reliée au point de jonction du dispositif à jonction P-N 101 et de la diode 102.
Un troisième élément à conduction dissymétrique, constitué par une seconde diode ordinaire 103, est monté en série entre la borne d'entrée a et le dispositif 101. Pour les signaux d'entrée négatifs, c'est-à-dire pour les signaux qui ren dent la borne a négative par rapport à la borne b, la diode 103 et le dispositif à jonction P-N 101 sont polarisés dans un sens tel qu'ils présentent une forte résistance ; quant à la diode 102, elle est polarisée de façon à pré senter une faible résistance.
La tension qui apparait entre les bornes<I>c et d</I> de sortie est, par conséquent, pratiquement proportionnelle au rapport de la résistance inverse élevée du dispositif à jonction P-N 101 à la somme de la résistance inverse de la diode 103 et de la haute résistance inverse du dispositif à jonc tion 101. Si la tension aux bornes du dispositif à jonction P-N devenait égale ou supérieure à sa tension critique, cette tension deviendrait pratiquement constante, et tout accroissement subséquent de la tension aux bornes d'entrée <I>a</I> et<I>b</I> apparaîtrait aux bornes de la diode 103.
Puisque l'impédance en courant alternatif du dispositif à jonction P-N est alors très basse, une basse impédance en courant alternatif est présente aux bornes de sortie<I>c et d</I> pour le cas décrit ci-dessus. Cette impédance devient d'une valeur très élevée lorsque la tension aux bornes du dispositif à jonction P-N 101 est inférieure à la valeur de la tension inverse cri tique.
Des variations de tension aux bornes d'entrée<I>a</I> et<I>b</I> peuvent donc produire des va riations très sensibles et très grandes de l'im pédance en courant alternatif entre les bornes de sortie<I>c et d.</I> Lorsque la polarité de la tension d'entrée est inversée, en d'autres termes, lorsque la borne a devient positive par rapport à la borne b, la diode 103 et le dispositif à jonction P-N sont tous deux polarisés de façon à être conducteurs, et la diode 102 est bloquée. Aux bornes d'entrée est maintenue une haute impédance, tandis qu'une basse impédance apparaît entre les bornes de sortie.
La fig. 12 montre un autre circuit em ployant un dispositif semi-conducteur à jonc tion P-N 104 disposé en série avec une diode usuelle 105, montée en opposition par rapport au dispositif 104. Dans ce circuit, une des bornes d'entrée, la borne a, est connectée au point commun p. Ce circuit est un circuit en n, et pour les signaux d'entrée négatifs inférieurs à la tension inverse critique du dispositif à jonction P-N 104 une atténuation sensible se produit, tandis qu'une impédance élevée est maintenue aux bornes d'entrée et aux bornes de sortie par les diodes 105 et 106.
Pour des tensions de signal plus élevées, mais de même polarité, la tension inverse critique du dispositif à jonction P-N 104 est atteinte, ce dernier fonctionne à tension constante , permettant ainsi une transmission d'énergie à travers le circuit, avec une atténuation beaucoup plus petite. Ce circuit peut, par conséquent, être considéré comme une barrière. En renversant la polarité du signal d'entrée, le circuit atténue le signal d'entrée et présente une basse impé dance d'entrée puisque tous les dispositifs 104 à 106 sont polarisés de façon à être conduc teurs.
La fig. 13 représente un autre circuit en T. Du point de vue du montage, ce circuit est semblable à celui de la fig. 8, la seule diffé rence étant que la diode 82 du circuit de la fig. 8 a été omise dans le circuit de la fig. 13. Des signaux d'entrée positifs inférieurs à la tension inverse critique du dispositif à jonction P-N 109 sont transmis avec de faibles pertes à travers les diodes en série 110 et 111.
Si cette tension critique est dépassée, la conduc- tibilité du dispositif à jonction P-N provoquera une limitation marquée, ou écrêtage, du signal d'entrée. En réponse à des signaux d'entrée négatifs, le circuit présente une grande impé dance à son entrée, et il en résulte une forte atténuation puisque les diodes 110 et 111 sont bloquées et le dispositif à jonction P-N 109 est débloqué.
La fig. 14 montre un circuit semblable à celui de la fig. 12 sauf qu'une diode 112 a été insérée entre le dispositif à jonction P-N 106' et la borne de sortie. c. Cette diode modifie les caractéristiques de transmission du circuit de la fig. 12 du fait que, pour toutes les ten sions positives, le circuit présente une résis tance série égale à la haute résistance inverse de la diode 112, et de faibles résistances d'en trée et de sortie causées par les deux diodes 107' et 108'.
Par contre, pour les tensions négatives in férieures à la tension inverse critique du dispo sitif à jonction P-N 106', le bras en série 106'- 112 ainsi que les bras 107' et 108' ont des impédances élevées. Pour les tensions négatives supérieures à la tension inverse critique du dispositif à jonction P-N, le bras en série a une basse impédance, et, puisque les bras shunt présentent toujours une impédance élevée, une transmission facile de l'énergie est rendue pos sible depuis l'entrée vers la sortie.
Les circuits décrits ci-dessus ne constituent que quelques exemples des possibilités d'em ploi de la combinaison d'un dispositif semi conducteur à jonction P-N du type décrit avec une diode ordinaire, montée en opposition pour les courants directs du dispositif à jonction P-N. Il est possible, d'autre part, de prévoir d'autres montages, pour les dispositifs décrits précédemment.
Ainsi, par exemple, la polarité de chacune des diodes peut être inversée pour obtenir des caractéristiques semblables avec des pola rités opposées des tensions appliquées.
Dans tous les exemples d'emploi d'un dis positif à jonction P-N dont il a été question ci-dessus, on a implicitement supposé que ces dispositifs étaient protégés par des écrans appropriés contre les effets de la lumière. Dans certaines circonstances, il peut être avantageux d'utiliser l'effet de l'éclairement du dispositif à jonction P-N. Dans ces cas, les circuits comprendront les moyens, déjà connus dans la technique, permettant d'obtenir les effets désirés.