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La présente invention est relative aux dispositifs semi-conduc- teurs électriques comprenant un cristal ou une masse de substance semi- conductrice et au moins un conducteur pointu appliqué sur ledit cristal ou ladite masse.
Les redresseurs du type dans lequel un condensateur pointu est appliqué sur un cristal de germanium ou de silicium sont connus, de même que les amplificateurs dans lesquels deux ou plusieurs conducteurs pointus sont appliqués à un cristal de germanium. On rencontre cependant des dif- ficultés considérables pour fabriquer de tels dispositifs présentant des O caractéristiques données, et il est très fréquent de trouver que des dis- positifs faisant partie d'un lot fabriqué à partir d'une masse donnée de substance semi-conductrice et ayant tous reçus le même traitement doivent être triés, à la suite de vérifications, en lots plus petits, présentant chacun des propriétés se trouvant dans des limites spécifiées qui diffè- 5 rent pour chaque petit lot. On remarque également que bon nombre de ces dispositifs doivent être rejettes.
La présente invention a pour objet de prévoir une méthode pour la fabrication d'un système d'électrode pour un dispositif semi-conducteur., permettant de produire avec certitude des dispositifs présentant une ca- ractéristique donnée.
La présente invention est relative à une méthode pour la fabri- cation d'un système d'électrode pour un dispositif semi-conducteur dans le- quel un conducteur pointu est appliqué sur la surface d'une masse de maté- riau semi-conducteur., un courant de formation traversant le contact ainsi établl. Suivant la méthode prévue par la présente invention, le matériau qui constitue le conducteur pointu et la pression appliquée au point de contact entre ledit conducteur pointu et ladite masse, sont choisis de ma- nière à produire une aire de contact prédéterminée, la durée et l'amplitu- de du courant de formation étant choisies de manière à établir une ré- gion fondue et une région environnante comportant des défauts de struc- ture du réseau,
la durée d'amplitude et le sens dudit courant de formation étant choisis en fonction des propriétés requises dudit dispositif, et le courant de formation étant coupé suffisamment vite pour que les défauts de structure du réseau ne soient pas altérés d'avantage.
Les objets et caractéristiques de la présente invention appa- rattront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exem- ples de réalisations, ladite description étant faite en relation avec les dessins cl-annexés dans lesquels:
Les Figs. l et 2 montrent, à une grande échelle et sous une forme schématique, un système d'électrode semi-conductrice présentant une aire limitée., avant et après l'application des impulsions suivant l'inven- tion.
La Fig. 3 montre, à une grande échelle, une forme d'électrode pointue destinée à être appliquée à un semi-conducteur.
La Fig. 4 montre un groupe de caractéristiques redresseuses.
La Fig. 5 montre, sous une forme schématique, la relation entre le courant de formation et les propriétés produites par celui-ci dans le dispositif semi-conducteur, pour un semi-conducteur du type N et une électrode constituée par un fil contenant une impureté "donneur".
La Fig. 6 montre un schéma similaire à celui de la Fig. 5 mais pour le cas dans lequel le fil constituant l'électrode contient une impureté "accepteur".
La Fig. 7 montre la relation entre le courant de formation et les caractéristiques positives et négatives pour certains systèmes typiques utilisant du germanium du type N.
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La Fig. 8 montre la relation entre le courant de formation et la tension de service inverse maximum pour le même système que celui de la Fig. 7.
La Fig. 9 montre des courbes illustrant les caractéristiques d'un système d'électrode d'une électrode collectrice dans un transistor.
Le procédé consistant à faire passer un courant de contact entre un conducteur pointu et un cristal semi-conducteur en vue d'une électroformation est bien connu. La présente invention résulte de l'observation des modifications qui se produisent dans le conducteur pointu et le semiconducteur par suite du passage de ce courant.
Lorsqu'un fil pointu 1 (Fig. 1) est appliqué sous pression sur la surface d'une masse de semi-conducteur 2, la pointe s'aplatit plus ou moins, ainsi qu'il est montré en 3. Si une impulsion de courant venant du fil 1 traverse la zone de contact 3 du fil avec le semi-conducteur, l'effet produit est triple, si l'impulsion de courant est de durée et d'amplitude suffisantes: - (l) la portion de substance de l'extrémité du fil ou du semi-conducteur dans son voisinage immédiate ou ces deux portions sont fondues. Si la substance du semi-conducteur est seule en état de fusion, la substance qui constitue le fil s'y dissout.
Dans tous les cas un alliage se forme entre la substance constituant le fil et celle constituant le semi-conducteur; (2) la formation thermique de défauts de structure dans la substance du semi-conducteur se produit autour de la région de l'alliage et (3) si le fil contient une impureté significative, cette impureté passe dans le semiconducteur dans la région située immédiatement autour de la zone de l'alliage.
La Fig. 2 montre la condition résultante au voisinage de l'extrémité du fil 1.
Le premier effet mentionné ci-dessus consiste à former une région 4 de forme approximativement hémisphérique qui, durant le passage du courant, se met en état de fusion. Cette région 4 contient à la fois de la substance provenant du fil 1 et de la substance provenant du semi-conducteur 2, la composition exacte étant fonction de la métallurgie (diagramme de phase) du système à deux éléments composants. Cette région 4 de vient un conducteur et cesse d'être un semi-conducteur. Au delà de cette région 4, le semi-conducteur est chauffé au dessous de son point de fusion, et présente des isothermes de forme plus ou moins hémisphérique. La demanderesse a remarqué que le rayon de n'Importe quel isotherme donné est directement proportionnel au courant de formation, en supposant qu'un état d'équilibre thermique a été établi.
Lorsqu'un semi-conducteur est chauffé, la structure du réseau devient de plus en plus désordonnée à mesure que la température s'élève.
Selon 1-*invention, le courant de formation est appliqué au moyen d'une impulsion présentant un temps d'amortissement rapide et la perturbation produite par l'impulsion est fixée par le refroidissement rapide dès la cessation de l'impulsion et deux effets sont produits: - (a) les imperfections peuvent se comporter comme des centres présentant des vitesses élevées de sorte que la durée de vie de la substance porteuse est réduite et (b) les imperfections appropriées agissent comme impuretés t'accepteur).
Dans le cas où la substance semi-conductrice 2 est du type N par exemple du germanium du type N, le matériau contient à l'origine un net excès d'impuretés "donneur". Ainsi les impuretés "accepteur" produites thermiquement peuvent annuler complètement ou partiellement les impuretés "donneur". Si les impuretés "accepteur" produites excèdent en concentration les impuretés "donneur" présentes à l'origine, il se produit alors une transformation du semi-conducteur en un semi-conducteur du type
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P. La iempérature nécessaire pour convertir un semi-conducteur du type N en un semi-conducteur du type P est d'autant plus élevée que la conduc- tivité initiale du type N est plus grande.
Le système d'électrode résultant du passage d'une Impulsion d'amplitude suffisante et d'une durée et d'un temps d'amortissement suf- fisamment rapides, dans le cas d'un semi-conducteur du type N et d'un fil contenant une impureté "donneur", est montré à la Fig. 2.
Les modifications de la structure du réseau se produisent à travers une certaine enveloppe isotherme 5 environnant la région 4, et jusqu'à un isotherme particulier 6, la conversion du type N en type P se produit. L'isotherme 6 constitue alors une jonction P-N, au delà le germa- nium est encore du type N. Néanmoins les modifications se sont produites au delà de cette jonction, ainsi que le montre la Fig. 2, par le prolon- gement de l'enveloppe 5 au delà de l'isotherme 6; la génération de trous et la vitesse de recombinaison ont augmenté de telle manière que c'est seulement à une certaine distance au delà de la jonction 6 c'est-à-dire jusqu'à un isotherme correspondant par exemple à 3000 centigrades dans le cas de germanium qu'aucun effet appréciable n'est évident. On désignera ci-après le rayon de cette hémisphère 5 par r2.
On doit remarquer qu'il semble exister quelque évidence indiquant que la présence d'une impureté quelconque non significative (par exemple du cuivre) peut être nécessaire pour la conversion d'un semi-conducteur du type N en semi-conducteur du type P. Dans le cas de germanium ou de silicium, la demanderesse n'a jamais trouvé aucun échantillon dans lequel la conversion thermique ne se produise pas.
La demanderesse a cependant remarqué des différences dans les effets d'un courant direct et inverse lors de la formation du germanium et du silicium., et ceci peut être dû à une impureté telle que le cuivre se comportant à la manière d'ions modifiés et étant transportée dans une direction conditionnée par le sens de l'impulsion de formation.
Si la substance constituant le fil 1 contient une impureté significative, cette impureté est présente dans la région 4 constituée par un alliage du matériau constituant le fil et du matériau semi-conduc- teur, et cette impureté significative se déplace dans une région 7 pratiquement hémisphérique environnant la région 4, le transfert de l'impu- reté se produisant par un phénomène de diffusion qui est soit aidé., soit opposé par la conduction électrolytique, en fonction du sens de l'impul- sion de formation. La distance à laquelle la concentration tombe à une valeur quelconque donnée est fonction de la concentration initiale dans le matériau constituant le fil 1.
Dans le cas d'une impureté du type N, une jonction N-P se produit dans les limites de la région 7 à une distance à laquelle l'impu- reté de type N provenant du fil 1 est égale en concentration aux impuretés "accepteur" présentes dans la région 5. Le rayon de la région 4 sera désigné ci-après par r1.
Dans le cas d'un semi-conducteur du type N avec un fil 1 contenant une impureté du type P (ou "accepteur"), les conditions générales montrées à la Fig. 2 sont encore valables mais aucune jonction ne se produit dans la région 7 qui consiste en un semi-conducteur du type P à con- ductivité élevée. Le courant de formation a donc pour effet de favoriser la modification de conductivité dans le semi-conducteur en fonction de la valeur du courant direct passant, du fait que lorsque le courant direct passe (durant le fonctionnement normal subséquent du dispositif), ce courant est porté par des cavités traversant la jonction 6, et ainsi la conductivité de l'ensemble du semi-conducteur du type N est augmentée par la présence de ces cavités.
Ainsi, dans ces circonstances, le courant de formation a pour effet d'améliorer la conductance directe du système d'électrode sans détériorer la caractéristique inverse.
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Dans le cas d'un semi-conducteur du type P, la conversion thermique se produisant à l'intérieur de la région délimitée en 5 aug- mente les propriétés caractéristiques du type P du semi-conducteur et il n'existe pas de jonction correspondant à la limite 6. Dans ce cas le fil 1 doit contenir une impureté du type N et seule une jonction redresseuse correspondant à 7 existe. Un tel système d'électrode peut être utilisé dans une diode présentant une caractéristique similaire à celle de la courbe A à la Fig. 4, à laquelle on se référera ci-après pour le système d'électrode de l'électrode émettrice dans un transistor.
Dans l'un quelconque des cas considérés, pour un système initial (non formé), le rayon r1 peut être augmenté par une augmentation du courant de formation qui augmente simultanément r2. On peut donner à la différence r2 - r1 toute valeur désirée en modifiant le courant de formation, et les propriétés du système d'électrode sont fonction de cet- te différence.
On verra que la différence r2 - r1 est déterminée par : (a) Le contenu initial en impuretés du semi-conducteur.
(b) La composition du fil 1 (c) L'aire de contact Initiale 3, Fig. 1, entre le fil et le semi-conducteur 2.
(d) L'amplitude du courant de formation.
(e) Le sens du courant de formation.
De plus dans le cas d'un semi-conducteur du type N et d'un fil 1 contenant une impureté du type N, la différence r2 - r est fonction de la concentration en impuretés dans le fil 1.
Les propriétés désirées peuvent être celles d'un redresseur ou celles d'un contact redresseur, par exemple celles d'une électrode collectrice dans un amplificateur à cristal ou un transistor .
Ces facteurs étant fixés, les dispositifs successifs présen- teront pratiquement des propriétés uniformes après la formation.
L'aire de contact initiale est conditionnée par la forme de la pointe initialement formée sur le fil 1, par la pression exercée entre la pointe et la surface du semi-conducteur, et dans une certaine mesure, par le matériau principal dont se compose le fil.
A titre d'indication pour la reproduction des résultats ob- tenus, on a utilisé dans tous les cas un fil ayant la forme montrée à la Fig. 3 pour les résultats donnés ci-après.
Ledit fil se compose d'un fil métallique de diamètre d re- courbé de façon à former deux boucles semi-circulaires semblables 8 et 9 sur chaque côté de l'axe principal du fil. Les hauteurs a et les lar- geurs h des boucles sont spécifiées de même que la distance c de la bou- cle 9 à la pointe.
Etant donné que la forme de la pointe du fil influence égale- ment l'aire de contact, on a adopté un procédé d'aiguisage uniforme. Un fil, qui peut avoir un diamètre d'environ 13/100 de m/m et fait d'un ma- tériau approprié, constitue l'électrode positive dans un bain électroly- tique dont l'électrode négative est constituée par une boucle d'un fil de platine.
Les électrodes sont connectées à une source de courant conti- nu conçue pour fournir un courant réglable et constant (c'est-à-dire indé- pendant de la charge).
Le fil est plongé sur une certaine distance dans le bain d'é- lectrolyse perpendiculairement à sa surface libre, et le courant est éta-
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bli. Le processus d'aiguisage se produit :immédiatement réduisant ainsi l'aire de contact immergée entre l'électrode et le bain d'électrolyse.
Il en résulte que la résistance entre l'électrode et le bain d'électro- lyse et, de ce fait, le voltage, s'élèvent. L'élévation de voltage est utilisée pour faire fonctionner un relais marginal réglé pour fonctionner lorsqu'un voltage donné est atteint, et ce relais est conçu pour couper le courant lorsque ce fait se produit.
La surface du semi-conducteur sur laquelle le fil 1 doit être appliqué est soumise à un décapage chimique ou électrolytique le procédé dé décapage de surface particulier utilisé ayant pour but de supprimer les parties contaminatrices de la surface et toute couche de matériau perturbé qui pourrait avoir été produite par le travail mécanique.
Afin d'avoir la certitude que le système d'électrode confère une caractéristique particulière à un dispositif semi-conducteur, l'électrode de hase coopèrent avec celui-ci doit être établie d'une façon sûre, et dans de nombreux cas elle doit autant que possible être inerte. On doit par conséquent prendre les précautions appropriées dans ce but lors de la préparation de l'électrode de base. On y parvient en lavant et en dégraissant (après meulage) la surface sur laquelle l'électrode base doit être appliquée et en plongeant ladite surface, avec une plaque de cuivre, dans un bain contenant une solution de placage au cuivre appropriée.
On fait passer le courant durant environ 15 secondes, la lame de cristal constituant l'anode. Une petite quantité de la substance semi-conductrice est transférée à la solution de placage. Le sens du courant est alors Inversé afin de provoquer un dépôt de cuivre sur la surface du cristal On fait passer le courant durant environ 5 minutes afin de produira un placage au cuivre à surface semi-brillante. Le cristal est alors retire du bain et le dépôt est alors lavé à l'eau douce et séché. Apres suppression de la substance protectrice, la surface du placage de cuivre, est étamée au moyen d'une soudure contenant 60 % de plomb et 40% d'étain et en utilisant un décapant à la résine. L'électrode de base ainsi produite est alors prête à être soudée à une base support appropriée.
Si un semi-conducteur d'une résistivité donnée est pourvu d'une électrode de base inerte, et que le fil 1 soit conçu et appliqué suivant la manière exposee ci-dessus, on peut lui donner différentes propriétés en faisant varier la durée d'amplitude et le sens des impulsions de formation et 11 est possible de reproduire une caractéristique désirée avec certitude.
Il estnécessaire d'expliquer que,dans certaines limites on peut obtenir pratiquement les mêmes caractéristiques, avec des aires de contact initiales différentes par l'utlllsation d'impulsions de formation d'amplitude appropriée. En d'autres mots, dans certaines limites, pour des caractéristiques données, si on augmente l'aire de contact initiale, l'amplitude des impulsions de formation doit être augmentée et vice versa.
Il est à remarquer que, généralement, lorsqu'on recherche un redresseur présentant unrapport redresseur élevé, le courant de formation doit être appliqué dans la direction directe ou de faible résistance du contact, c'est-à-dire la direction dans laquelle le fil est positif,et dans le cas où on utilise un semi-conducteur du type N, le fil doit contenir plus de 0,01% 1.: 'une impureté significative du type P ou "accepteur".
Cette impureté peut être contenu dans le matériau constituant le fil ou peut y être appliquée sous la forme d'un revêtement.
En ce qui concerne l'aire de contact entre la pointe du fil et le semi-conducteur, si une résistance directe faible est nécessaire pour le redresseur, l'aire de contact initiale doit être aussi grande que possi-
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blé. Cependant on remarque habituellement que 1'aire de contact ne peut être augmentée indéfiniment.
Les caractéristiques électriques d'un redresseur à cristal sont si complexes qu'il est nécessaire de choisir quelques caractéristi- ques significatives en vue de spécifier ces propriétés. Il existe dans un redresseur trois caractéristiques présentant un intérêt principal, à savoir:-
1. Le courant direct présentant un voltage appliqué relativement faible V1 (par exemple 1 V ; écrit communément sous la forme V (1)).
2. Le courant inverse présentant un voltage appliqué relativement grand V2 (par exemple 30 V; écrit communément sous la forme V (-30)).
3. La tension de service inverse maximum qui, habituellement ne doit pas être inférieure à un voltage V3 plus grand que V2.
Ces caractéristiques seront désignées sous le vocable "caractéristiques standard spécifiées".
La tension de service inverse maximum est la tension à laquelle une modification relativement brusque se produit dans la résistance de pente de la caractéristique Inverse.
Avant de citer aucun résultat quantitatif, on se référera aux Figs , 4, 5 et 6 afin d'avoir une idée qualitative des effets qui peuvent être obtenus par une modification des conditions d'électroformation et autres. La Fig. 4 montre une série de caractéristiques courant-tension possibles pour un seul contact redresseur sur du germanium du type N. Les échelles positives et négatives différent en raison des ordres de grandeur très différents des valeurs des courants dans les directions directe et inverse. La courbe A représente un redresseur normal avec une résistance Inverse relativement élevée. La tension de service inverse maximum est la tension au point Q de la courbe.
Dans la courbe B le voltage de retournement R a été grandement réduit et la valeur de la résistance négative a été considérablement augmentée tandis que la résistance positive correspon- dant à la région suivante est excessivement petite. Cette courbe est caractéristique des redresseurs qui ont fait l'objet du brevet belge N 523.426. La courbe C présente une portion de résistance négative dans le quadrant positif et est caractéristique des redresseurs décrits dans le brevet belge N 514.778. Les courbes D et 3 montrent d'autres carac- téristiques que l'on peut obtenir. Toutes ces diverses caractéristiques peuvent être obtenues à volonté grâce à 3a conception et au traitement approprié, qui font l'objet de la présente Invention.
La Fig. 5 montre quelques résultats qualitatifs obtenus avec du germanium du type N, en utilisant une électrode contenant une impureté "donneur" de plus de 0,01%. Les courbes montrent les relations entre l'amplitude de courant des Impulsions de formation appliquées dans le sens direct, et le courant direct du redresseur formé à un voltage positif faible constant (courbe F le courant inverse à un voltage négatif constant plutôt élevé (courbe G) et le gain de courant correspondant (courbe II) lorsque l'électrode est utilisée comme électrode collectrice d'une triode à cristal avec une électrode émettrice fournissant un courant émetteur constant.
Aucune échelle d'ordonnées n'est représentée du fait que seules les formes caractéristiques des courbes sont indiquées et non des valeurs réelles. Avec un courant de formation correspondant à l'ordonnée T une caractéristique similaire à la courbe B (F:Lg. 4) commence à apparaître, et à un courant plus élevé (ordonnée U) une caractéristique de courbe C apparait alors qu'à un courant encore plus élevé (ordonnée W) le redresseur est détruit.
Des caractéristiques du type B peuvent être produites sur la région entre les ordonnées T et U et, sur la première partie de la région
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adjacente entre les ordonnées U et W, les caractéristiques peuvent présen- ter à la fois des caractères du type B et C, c'est-à-dire qu'il existe une portion de résistance négative à la fois dans les caractéristiques directe et inverse.
On remarquera que le gain de courant indiqué par la courbe H fait apparaître un maximum défini. De même la courbe G présente deux mi- nima, dont l'un est dans la région produisant la caractéristique du type B. Ces deux minima correspondent aux valeurs d'impédance maximum de l'é- lectrode collectrice lorsque le système d'électrode est utilisé comme élec- trode collectrice dans un transistor. Ainsi, en fonction des courbes G et H, 11 est possible de déterminer quelle densité de courant de formation est nécessaire pour que le système d'électrode collectrice présente les caractéristiques désirées en ce qui concerne le gain de courant et/ou l'im- pédance.
On peut ajouter que les courbes de la Fig. 5 se rapprochent de l'axe des ordonnées si la résistivité du germanium ou le contenu en im- puretés de l'électrode est augmenté, ou si le courant de formation est dans la direction inverse du redresseur.
La Fig. 6 montre qualitativement les résultats obtenus lorsque l'électrode contient une impureté "accepteur" au lieu d'une impureté "don- neur. Dans ce cas également aucune échelle d'ordonnées n'est donnée et les courbes indiquent seulement les caractéristiques principales des résul - tats.
Les courbes de courant direct et inverse J et K présentent des maxima pour des valeurs légèrement différentes du courant de formation et la courbe de courant inverse K présente un minimum pour un courant de for- mation relativement élevé. Il est possible de déterminer à partir de ces courbes des conditions de formation nécessaires pour produire, par exemple, un redresseur présentant une résistance directe minimum ou une résistance inverse maximum ou un rapport redresseur maximum. On a remarqué, que la formation avec une électrode constituée par un fil comportant une Impure- té "accepteur", le rapport redresseur peut être grandement augmenté par rapport à ce qui a été possible jusqu'ici.
Certaines courbes montrant les résultats quantitatifs qui ont été obtenus sont représentées par les courbes des Figs. 7 et 8. On trou- vera ci-dessous les conditions dans lesquelles ces courbes ont été obte- nues.
Résistance moyenne d'un cristal de 2,6 ohms - germanium du type N à 25 C. ) 2,6 ohms - cm.
Dimensions de l'électrode (Fig. 3)) a 1.25 m.m b 1.25 m .m c 0,5 m.m d 0,1 m. m
Avancement du fil après le premier) contact ) 0,175 m.m
Durée des impulsions de formation ) 25 millisecondes (Formation effectuée par l'appli- cation de deux impulsions de for- mation
Les courbes des Figs. 7 et 8 se rapportent à des électrodes de fil constituées par trois types de matériaux, comme suit : (1) Alliage de platine ruthénium contenant 10 % de ruthénium.
(2) Comme (1), la pointe comportant un placage d'Indium qui agit comme impureté "accepteur".
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(3) Bronze phosphoreux contenant 0,2% de phosphore qui est une impureté "donneur".
Les maires de contact initiales produites par un avancement du fil de 0,175 m.m après le premier contact sont approximativement 6,5 x 10-7 cm2 pour (1) 19,5 x 10-7 cm (pour (2) et 3,9 x 10-7 pour (3).
La Fig. 7 montre la relation entre le courant de formation (abcisses) et le courant direct à 1V. (1) et le courant inverse à 30 V.(-30) (ordonnées), dans les conditions spécifiées ci-dessus. Les courbes dési- gnées par L représentent des électrodes constituées par un fil de platiné - ruthénium., celles désignées par M concernent du platine-ruthénium compor - tant un placage d'indium, et celles désignées par N représentent du bronze phosphoreux. Il est à remarquer que les échelles sont différentes pour les courants direct et inverse.
La Fig. 8 montre la relation entre le courant de formation (ab- cisse) et la tension de service inverse maximum (ordonnée) pour les fils constitués par les mêmes matériaux qu'à la Fig. 7.
Pour le but recherché par la présente invention, l'électrode de fil doit être légèrement plus tendre que le semi-conducteur. Ainsi le platine durci à l'aide de ruthénium est un bon matériau.
Le matériau choisi pour le fil et la forme du dispositif à res- sort constitué par le fil sont déterminés par un certain nombre de considé- rations. Lorsque le fil qui est appliqué sur la surface du semi-conducteur est avancé d'une distance prédéterminée, l'étendue de l'aire aplatie est fonction de la force finale appliquée. On doit considérer de plus l'élas- ticité du système à ressort. Comme expliqué ci-dessus, le passage du courant de formation, la fusion de la pointe du fil et du semi-conducteur se produisent dans la région de la pointe, et la distance de laquelle le fil pénètre dans ce matériau en fusion est déterminée par l'inertie du fil etpar l'intervalle de temps durant lequel le semi-conducteur reste en état de fusion.
Il est par conséquent important, particulièrement dans les cas où une aire de contact finale de petite étendue est nécessaire après la formation, comme par exemple dans les dispositifs devant présenter une portée de fonctionnement à haute fréquence, que le mouvement ou la pé- nétration de la pointe du fil soit réduit à un minimum. L'étendue de la région en fusion est déterminée par la nature de système d'alliage formé dans la région de transition entre le fil et le semi-conducteur.
Dans les cas où l'on désire obtenir une aire de contact de fai- ble étendue, il est également désirable, en pratique, que le matériau con- stituant le fil soit aussi dur que possible tout en étant moins dur que le semi-conducteur, de façon à ce que la déflexion du fil après le contact ne doive pas être indûment faible. Ce durcissement du matériau primaire peut être effectué soit par l'addition d'un agent durcissant inerte approprié, soit, dans certains cas, par l'addition de l'Impureté active nécessaire elle- même, par exemple dans le cas d'un fil en argent phosphoreux.
Dans tous les cas il est désirable que la conductivité thermi- que et électrique du fil soit élevée, de manière à permettre le passage de larges courants de formation sans provoquer la fusion du fil. Ceci pré- sente une importance particulière lorsqu'on utilise des semi-conducteur, (par exemple le silicium), dans lesquels une température élevée est néces- saire pour la conversion du type conductivité.
A titre d'un autre exemple de la conception d'un système d'é- lectrode, on peut choisir un fil d'argent dans lequel une impureté "don- neur" telle que le phosphore ou l'arsenic est dispersée dans l'argent et tient lieu en même temps d'agent durcissant. L'argent présente en outre l'avantage de posséder une conductivité électrique et thermique élevée.
Des alliages de ce type contenant par exemple 0,025 % de phosphore, sont particulièrement appropriés pour préparer des dispositifs des types B et C
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EMI9.1
(,te 1a .L 1g . .
La formation d'un système d'électrode présentant des propriétés strictement contrôlées est illustrée plus clairement si l'on considère les renseignements suivants relatifs à des systèmes d'électrodes utilisant un fil composé d'argent contenant 0,1 % de phosphore, d'une part, et d'argent contenant 1,0 % d'arsenic d'autre part, lorsqu'on les utilise dans un système d'électrode collectrice pour un transistor. Pour expliquer les propriétés d'un tel système d'électrode, on peut se référer à la Fig. 9 qui montre les caractéristiques courant-voltage d'un tel système d'électrode pour diverses valeurs du courant émetteur. Les courants sont donnés en abscisse et les voltages en ordonnée.
La courbe x caractérise un courant émetteur zéro, la courbe Y un courant émetteur de 0,5 mllllam- pères et la courbe Z un courant émetteur de 1,5 milliampères. Ces courbes sont prises pour du germanium présentant une résistivité de 8 ohms par om3 et un écartement entre les électrodes de fil émettrice et collectrice de 13/100 de m/m.
La distance horizontale le long d'une ordonnée particulière quelconque telle que x entre les courbes Y et Z est dénotée par [alpha], le gain de courant du dispositif à ce voltage.
Les coordonnées du point auquel la courbe Z présente une boucle très prononcée dsont dénotées respectivement par Ics et Vcs.
Dans le tableau suivant, [alpha]. pour un voltage de 10 V. et les va- leurs Ics sont montrées pour deux matériaux différents constituant l'élec- trode de fil, pour différentes aires de contact du contact initial entre le fil et le seml-conducteur, et pour deux valeurs différentes de courant de formation.
EMI9.2
<tb>
<tb>
Argent <SEP> avec <SEP> 0,1% <SEP> de <SEP> P <SEP> Argent <SEP> avec <SEP> 1,0 <SEP> % <SEP> de <SEP> As.
<tb>
Diamètre <SEP> courant <SEP> de <SEP> courant <SEP> de <SEP> courant <SEP> de <SEP> courant <SEP> de
<tb> du <SEP> formation <SEP> formation <SEP> formation <SEP> formation
<tb>
EMI9.3
contact + LOOmA + 100 mA + 400 mA ion mat m.m à 10V. Ifs. OL à 10V Ics. o à 10V .Ica. à 1,OV Ics.
EMI9.4
<tb>
<tb>
0,004 <SEP> 1.6 <SEP> 3 <SEP> .3 <SEP> 0 <SEP> .9 <SEP> 2.4 <SEP> - <SEP> - <SEP> 2.4 <SEP> 4
<tb> 0.005 <SEP> 1.9 <SEP> 3.9 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> -
<tb> 0.0065 <SEP> 2.0 <SEP> 4. <SEP> 7 <SEP> 1.0 <SEP> 2.6 <SEP> 2.2 <SEP> 3.6 <SEP> 2.3 <SEP> 5.7
<tb> 0.0075 <SEP> 1.5 <SEP> 3.8 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> -
<tb> 0.010 <SEP> 1.5 <SEP> 2.8 <SEP> 0.7 <SEP> 1.6 <SEP> - <SEP> 0.8
<tb>
La colonne 1 montre l'aire de contact initiale entre l'extrémi- té du fil et le germanium.
Les colonnes 2, 3, 4 et donnent les résultats obtenus pour un fil d'argent contenant 0,1 % de phosphore, les colonnes 6, 7, 8 et 9 pour un fil d'argent contenant 1 % d'arsenic.
Les colonnes 2 et 3 qui montrent [alpha] à 10 V., et Ics pour un
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courant émetteur de 1,5 mlllianpères respectivement permettent de voir qu'à mesure que l'aire de contact augmente pour un courant de formation donné, [alpha] et Icsaugmentent jusqu'à un maximum puis diminuent. Ceci est dû au fait qu'à mesure que l'aire de contact initiale augmente, la distance entre les réglons 5 et 7 à la Fig. 2 diminue.
Le facteur [alpha] est Inverse- ment proportionnel à la distance (r2 - r ) du fait que [alpha]est fonction du nombre d'électrons qui peuvent se déplacer de la région r1 à la masse
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principale du matériau semi-conducteur à travers la région r2 - r sans être annulés par les imperfections dans la région r2 - r1. Ics est fonction de [alpha] et également du courant collecteur circulant pour un cou- rant émetteur zéro.
Au dessus d'une certaine aire de contact, le courant de for- mation est insuffisant pour produire une région en fusion r de dimensions suffisantes et [alpha]tombe brusquement.
Les colonnes 4 à 5 montrent qu'en utilisant un courant de for- mation plus faible, l'augmentation de l'aire de contact montre également une augmentation initiale de [alpha] et Ics; puis une diminution, mais le courant de formation est insuffisant pour provoquer une région r en fusion suffisamment grande et toutes les valeurs de cL sont faibles.
Si on augmente maintenant de 10 fols le contenu en impuretés du fil, Fig. 2, comme le montrent les colonnes 6, 7, 8 et 9, la valeur deel- augmente à mesure que la distance entre la jonction 7 (Fig. 2) et l'origi- ne augmente, et un courant de formation plus faible est nécessaire pour donner une valeur maximum à [alpha] du fait de l'augmentation du contenu en im- puretés, et, même avec une région en fusion faiblement développée résultant d'un courant de formation faible, le contenu plus élevé en impuretés est capable de produire une jonction n-p satisfaisante et, de ce fait, une va- leur satisfaisante de [alpha] .
Il est à noter que les deux Impuretés différentes utilisées (phosphore et arsenic) sont toutes deux de la même classe. Il n'est pas possible d'obtenir un fil d'argent satisfaisant contenant 1% de phosphore et de ce fait on a utilisé l'arsenic pour les exemples des colonnes 6 à 9.
Les résultats donnés dans le tableau ci-dessus sont les moyen- nes de plusieurs expériences dans chaque cas, mais les résultats des diver- ses expériences s'éloignent peu de la moyenne. On peut avoir une idée de la faculté de reproduction des propriétés obtenues en examinant le relevé suivant de 6 exemples différents de la troisième rangée de la colonne 2 du tableau. lin.
[alpha] 1.9 2.3 2.0 1.3 2.3 1.3 2.0
Ics 2.3 5.6 4.3 4.3 5.7 4.6 4.7
Il apparaît clairement que la durée du courant de formation est déterminée par le temps nécessaire pour produire un état d'équilibre final dans toute la région r2, mais qu'il n'y a pas de limite supérieure à cette durée. D'autre part, il n'est pas nécessaire d'appliquer le cou- rant de formation pour une période plus longue que nécessaire et le temps maximum nécessaire dans le cas du germanium est seulement de quelques mil- lisecondes. Le courant de formation doit se présenter sous la forme d'une impulsion présentant un amortissement brusque. Si la durée de l'impul- sion appliquée est insuffisante, on peut appliquer une seconde Impulsion .
Il a été noté ci-dessus que la courbe B de la Fig. 4 montre les caractéristiques des redresseurs conçus selon les brevets belges Nos 513.801 et 523.426. La présente Invention prévoit une méthode permet- tant de constituer pour de tels dispositifs un système d'électrode permet- tant l'obtention de résultats constants pour un grand nombre de ces dis- positifs.
La caractéristique qui rend ces dispositifs utiles pour des dispositifs de déclenchement, réside dans le transfert de trous positifs de l'électrode de base (qui dans le cas de ces dispositifs doit être une électrode "active" et non une électrode "inerte") au conducteur pointu qui est polarisé dans la direction Inverse (il est à remarquer Ici que l'on peut obtenir des résultats similaires en utilisant une électrode base in-
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erte, et fournissant le nombre de porteurs nécessaire en dirigeant une source de lumière ou autres rayons sur un point rapproché du conducteur pointu,
la lumière produit des paires de trous à électrons et les trous sont attirés par l'électrode de fil et produisent un effet similaire à écelui des trous produits par l'électrode de base "active" dans le cas des redresseurs décrits dans les brevets sus-mentionnés .
Les paires de trous à électrons peuvent également être pro- duites dans la masse du matériau en dehors de l'électrode de base ou au- tre, la vitesse de génération étant fonction, entre autre, des courants passants, ou du voltage, dans une région du matériau présentant des pro- priétés voulues; on comprendra ainsi que dans de tels dispositifs l'ac- tion de déclenchement se produit sans qu'il soit nécessaire d'appliquer des injections spéciales d'électrons ou de rayons lumineux.
L'expérimen- tation a permis de remarquer que les dispositifs dans lesquels le maté- riau semi-conducteur est modifié de façon appropriée par les impulsions de formation pour produire les systèmes de jonction appropriés, de même que les régions génératrices de paires de trous à électrons nécessaires pour de tels dispositifs, peuvent être obtenus dans les conditions mon- trées par la région T-U de la Fig. 5. On sait que les distorsions de ré- seaux présentes préalablement à la formation agissent comme centres de paires de trous à électrons, mais cet effet est faible par rapport à celui qui est produit délibérément par le procédé de formation décrit, si le semi-conducteur est choisi de façon appropriée.
On appréciera mieux l'effet du courant de formation dans la production d'un système d'électrode du caractère décrit en se référant de nouveau à la Fig. 2. Si le semi-conducteur est du type N et si le conducteur pointu contient une impureté du type N, la distance entre la limite de la région du type N, 7 produite par l'injection d'une impureté du type N et l'électrode de base "active"(source de trous) doit alors être comparable ou inférieure à la longueur de diffusion des trous dans le semiconducteur. Dans les cas où une autre source de génération de trous est utilisée, la même relation existe.
On va maintenant donner d'autres exemples de formation de diodes présentant des caractéristiques spécifiques.
Avec du germanium présentant une résistivité de deux ohms cm. a. une électrode de fil d'argent contenant 0,1% de phosphore de 0,125 cm. de diamètre a été aiguisée électriquement de manière à présenter un angle de 35 à 55 et un rayon de la pointe de O,OC25 m/m. L'électrode de fil a été formée comme montré à la Fig. 3 et présente les dimensions déjà décrites . Une ou deux impulsions de formation de 900 milliampères produites par une source à impédance élevée, d'une durée de 25 millisecondes chacune, produisent de façon constante un système d'électrode qui, avec une électrode de base inerte, constitue un dispositif suivant le brevet belge N 514.773, c'est-à-dire présentant une région de résistance négative dans le sens direct du courant.
Pour une diode présentant une résistance directe faible il est prévu un système d'électrode utilisant du germanium d'une résistivité de 0,4 ohms cm et utilisant un fil d'aluminium aiguisé électriquement de manière à présenter un angle conique de 35 à 55 et une pointe d'un rayon inférieur à 0,0025 m/m. Une ou deux Impulsions de 500 milliampères, d'une durée de 25 millisecondes, appliquées avec le fil positif, donnent de façon constante unp diode de résistance directe faible.
Bien qu'on ait décrit des exemples spécifiques de dispositifs utilisant le germanium comme semi-con- ducteur, l'invention n'est pas limitée à ceux-ci, mais s'applique également à la production d'un système d'électrode utilisant une électrode de fil appliquée à d'autres matériaux semi-conducteur tels que le silicium. Dans le cas de tels matériaux semi-conducteurs, les amplitudes du courant de for mation diffèrent de celles utilisées pour le germanium du fait de la conduction thermique différente dans le matériau semi-conducteur et des isother-
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mes appropriés différents auxquels les défauts de structure de réseaux se produisent. Par exemple pour le silicium les températures auxquelles les défauts de structure se produisent sont.plus élevées que pour le germanium.
Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, on comprendra clairement que cette description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention.