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La présente invention concerne les dispositifs à semi-conduc- teur comprenant un contact à conduction unilatérale entre une électrode effilée et un petit bloc de semi-conducteur.
La théorie de la conduction électronique dans les semi-conduc- teurs est maintenant assez connue pour qu'il suffise de n'en rappeler que certains points utiles pour la bonne compréhension de l'invention.
Les corps semi-conducteurs peuvent présenter la conduction du type N ou P suivant la nature des porteurs de charge prédominants. L'ad- dition, en teneur très faible, de certains corps dans ce semi-conducteur, peut jouer un rôle déterminant sur son type de conduction. C'est ainsi que l'addition de certains corps dits accepteurs de valence, généralement inférieure à celle du semi-conducteur, lui confère une conduction de type P. Dans ce cas, le corps accepteur capte des électrons du semi-con- ducteur et crée, dans la structure cristalline, des lacunes électroniques' qui peuvent être assimilées à des porteurs de charges positives.
Au contraire, l'addition dans un semi-conducteur de certains corps, dits donateurs de valence, généralement plus grande que celle des semi-conducteurs, fournit des électrons à la bande de conduction et con- fère la conduction du type N.
Le contact entre une surface d'un bloc de semi-conducteur, comme le germanium, et une électrode à pointe effilée d'un métal comme le tungstène ou le platine, possède des propriétés de conduction assymé- trique. Si le semi-conducteur a la conduction de type N, lorsque le bloc est porté à un potentiel positif par rapport à l'électrode effilée, le contact ponctuel présente une résistance relativement élevée. Si le bloc de semi-conducteur est porté à un potentiel négatif par rapport à l'électrode effilée, la résistance du contact ponctuel est faible. De nombreux dispositifs à semi-conducteur comprennent un contact ponctuel.
La présente invention a pour objet un procédé de traitement de l'électrode effilée servant à établir un contact à conduction unilatérale avec un bloc semi-conducteur, ce contact présentant à la fois les qualités des contacts ponctuels et ceux des jonctions P-N.
L'électrode effilée subit, avant sa mise en contact avec le bloc semi-conducteur, un traitement de calorisation. Celui-ci consiste à chauffer l'électrode en atmosphère non oxydante ou réductrice, au contact d'un mélange pulvérulent d'alumine et d'aluminium, suivi d'un second traitement thermique qui produit la diffusion dans toute sa masse de l'alumine et de l'aluminium déposés à la surface de l'électrode.
Enfin, l'électrode est taillée en biseau et soudée au bloc semi-conducteur.
Pour mieux faire comprendre les caractéristiques techniques et les avantages de l'invention, on va en décrire un exemple de réalisation, étant entendu que celui-ci n'a aucun caractère limitatif quant aux modes de mise en oeuvre et aux applications qu'on peut en faire.
La figure unique représente un redresseur comprenant un contact à conduction unilatérale entre'une électrode effilée, qui a subi un traitement de calorisation, et un bloc semi-conducteur.
L'élément redresseur comprend une plaquette 1 de germanium, ayant la conduction N. La plaquette lest, de préférence, monocristalline, sa pureté doit être suffisamment grande pour que la résistivité soit supérieure à 2 ohms-centimères. On peut extraire cette plaquette d'un monocristal, obtenu par croissance d'un germe de cristal de germanium dans du germanium en fusion contenant moins de 0,05 % d'un corps donateur.
Une première électrode métallique et plane 2 est fixée à la plaquette 1 au moyen d'une soudure 3; le métal de cette électrode doit avoir un coefficient de dilatation thermique voisin de celui de la plaquette, on
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peut utiliser un alliage de fer, de nickel et de cooalt.
La soudure 3 est un métal ou un alliage métallique à bas point de fusion, de l'étain par exemple; la soudure peut contenir un corps donateur ou accepteur, capable de fournir à la plaquette des porteurs de charges identiques à ses porteurs majoritaires. Une électrode effilée 4 est soudée à la surface de la plaquette. A cet effet, l'électrode étant au contact de la plaquette, on fait passer à travers le contact entre ces deux éléments, pendant un intervalle de temps court, un courant d'intensité suffisante pour fondre la pointe de l'électrode 4 et souder celleci à la plaquette.
On va décrire un mode d'application du procédé, objet de l'invention, à des redresseurs analogues à celui de la figure 1. Le diamètre de l'électrode 4 est compris entre 0,075mm et 0,150 mm ; il est de préférence égal à 0,1 mm. L'électrode peqt être en platine, en tungstène, ou en tout autre métal ayant des propriétés physiques appropriées. Le redresseur décrit comporte une électrode de platine.
Celle-ci subit un traitement de calorisation comprenant deux phases.
Durant la première phase du traitement de calorisation, le fil de platine en contact avec un mélange pulvérulent contenant, en poids, 10 à 20 % d'aluminium et le reste d'alumine, est porté en atmosphère non oxydante ou réductrice à une température comprise entre 400 C. et 600 C. pendant une durée comprise entre 4 et 6 heures. La durée de ce traitement est d'autant plus courte qu'il est effectué à une température plus élevée. Au cours de ce traitement, il se forme à la surface du fil, un alliage d'aluminium et de platine.
Pour imprégner le fil de platine.. d'aluminium, dans toute sa masse, le fil est soumis, de préférence, à un traitement thermique qui provoque la diffusion de l'aluminium. Dans ce but, le fil est porté en atmosphère non oxydante ou réductrice, à une température comprise entre 800 C. et 1.000 C, pendant un intervalle de temps compris entre quatre et six heures. La durée de ce second traitement thermique est d'autant plus brève quil est effectué- à température plus élevée et inversement.
On coupe alors le fil de platine en tronçons de longueur égale à celle d'une électrode 4. Puis, les tronçons de fil sont meulés en biseau à l'une de leurs extrémités. La valeur de l'angle que forme l'extrémité biseautée de l'électrode n'est pas critique.
Suivant une variante de l'invention, le fil de platine peut être coupé en tronçons et chacun de ceux-ci biseautés à l'une de leurs extrémités, avant le traitement de calorisation.
L'électrode 4 étant mise en contact par son extrémité biseautée avec la plaquette 1, on fait passer à travers le contact entre l'électrode et la plaquette, pendant une durée brève, un courant d'intensité suffisante pour souder l'éléctrode à la plaquette en 5. Dans le cas d'une électrode de diamètre compris entre les limites mentionnées plus haut, il suffit d'appliquer, entre l'électrode et la plaquette, une différence de potentiel de 40 volts pendant un quart de seconde environ, le redresseur étant en série avec une résistance de 50 ohms.
Pour comparer plusieurs de ces redresseurs,on a fabriqué plutsieurs électrodes dont l'angle de biseautage était rigoureusement égal à 20 . Dans ce but, on a fixé avec de la cire, plusieurs tronçons de fil de platine calorisé sur une plaque de verre, et on a meulé la plaquette et les fils de manière à obtenir l'angle de biseautage désiré.
Les diodes à semi-conducteur construites avec ces électrodes ont été comparées avec une diode analogue, dont l'électrode effilée n'avait
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pas subi de traitement de calorisation.
EMI3.1
<tb>
<tb>
Traitement <SEP> Tension <SEP> Tension <SEP> Intensité <SEP> Intensité <SEP> Résistance
<tb> directe <SEP> inverse <SEP> du <SEP> cou- <SEP> du <SEP> cou- <SEP> en <SEP> série
<tb> rant <SEP> di- <SEP> rant <SEP> in- <SEP> avec <SEP> le <SEP> rerect <SEP> verse <SEP> dresseur
<tb> v <SEP> v <SEP> mA <SEP> mA <SEP> Ohms
<tb> Fils <SEP> biseautés <SEP> après <SEP> calorisation
<tb> Pas <SEP> de <SEP> calorisation <SEP> 0,70 <SEP> 18 <SEP> 20 <SEP> 0,54 <SEP> 750
<tb> Calorisé <SEP> avec
<tb> poudre <SEP> à <SEP> 10 <SEP> % <SEP>
<tb> d'aluminium <SEP> 0,65 <SEP> 17 <SEP> 20 <SEP> 0,78 <SEP> 750
<tb> # <SEP> = <SEP> 400 C. <SEP> t=6h <SEP> 0,65 <SEP> 0,78
<tb> diffusion
<tb> # <SEP> = <SEP> 800 C. <SEP> t=6h
<tb> Calorisé <SEP> avec
<tb> poudre <SEP> à <SEP> 10 <SEP> % <SEP>
<tb> d'aluminium <SEP> 0,54 <SEP> 26 <SEP> 20 <SEP> 0,74 <SEP> 950
<tb> e <SEP> = <SEP> 600 C.
<SEP> t=5h
<tb> diffusion
<tb> e <SEP> =1000 C. <SEP> t=5h
<tb> Calorisé <SEP> avec
<tb> poudre <SEP> à <SEP> 20%
<tb> d'aluminium <SEP> ,47
<tb>
EMI3.2
e= 60o Co t=4h 0,4 20 0,69 750
EMI3.3
<tb>
<tb> diffusion
<tb> e <SEP> =1200 C. <SEP> t=4h
<tb> Fil <SEP> biseauté <SEP> avant <SEP> calorisation <SEP>
<tb> Calorisé <SEP> avec
<tb> poudre <SEP> à <SEP> 10 <SEP> % <SEP>
<tb> d'aluminium <SEP> 0,385 <SEP> 0,72
<tb>
EMI3.4
9 = 600 Cot=5h 0,3 5 17 20 0,72 0
EMI3.5
<tb>
<tb> diffusion
<tb> # <SEP> =1000 C, <SEP> t=5h
<tb>
D'après le tableau précédent, on voit que le traitement de calorisation appliqué à l'électrode effilée, provoque une réduction de la tension directe.
Cette réduction est particulièrement sensible, lorsque le traitement de calorisation est appliqué après le biseautage de l'électrode effiléeo
On suppose que l'aluminium ou l'alliage d'aluminium qui im- prègne l'électrode 4 diffuse dans une région 6, comprenant la zone de soudage de l'électrode à la plaquette, et qu'une jonction P-N 7 se forme à la limite de la région 6 et de la région de conduction N de la plaquetteo Le rapport élevé entre les résistances inverse et directe du dispositif est dû, dans cette hypothèse, aux propriétés de la jonction 7 de type P-No
L'invention n'est pas limitée à l'utilisation du germanium; on peut employer un autre corps semi-conducteur de conduction N.
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The present invention relates to semiconductor devices comprising a one-sided conduction contact between a tapered electrode and a small block of semiconductor.
The theory of electronic conduction in semiconductors is now sufficiently well known for it to suffice to recall only certain points which are useful for a good understanding of the invention.
Semiconductor bodies can exhibit N or P type conduction depending on the nature of the predominant charge carriers. The addition, in very low content, of certain substances in this semiconductor, can play a determining role in its type of conduction. Thus, the addition of certain so-called acceptor bodies of valence, generally lower than that of the semiconductor, gives it a P-type conduction. In this case, the acceptor body captures electrons from the semiconductor and creates electronic vacancies in the crystal structure which can be assimilated to carriers of positive charges.
On the contrary, the addition in a semiconductor of certain bodies, called valence donors, generally greater than that of semiconductors, supplies electrons to the conduction band and confers N-type conduction.
The contact between a surface of a block of semiconductor, such as germanium, and a tapered electrode of a metal such as tungsten or platinum, has asymmetric conduction properties. If the semiconductor has the N-type conduction, when the block is brought to a positive potential with respect to the tapered electrode, the point contact has a relatively high resistance. If the semiconductor block is brought to a negative potential with respect to the tapered electrode, the resistance of the point contact is low. Many semiconductor devices include a point contact.
The subject of the present invention is a method for treating the tapered electrode serving to establish a unilateral conduction contact with a semiconductor block, this contact having both the qualities of point contacts and those of P-N junctions.
The tapered electrode undergoes, before it comes into contact with the semiconductor block, a heat treatment. This consists of heating the electrode in a non-oxidizing or reducing atmosphere, in contact with a pulverulent mixture of alumina and aluminum, followed by a second heat treatment which produces the diffusion of the alumina throughout its mass. and aluminum deposited on the surface of the electrode.
Finally, the electrode is beveled and soldered to the semiconductor block.
In order to better understand the technical characteristics and the advantages of the invention, an exemplary embodiment thereof will be described, it being understood that this is in no way limiting as to the embodiments and the applications that can be made. make it.
The single figure shows a rectifier comprising a unilateral conduction contact between a tapered electrode, which has undergone a heat treatment, and a semiconductor block.
The rectifier element comprises a germanium wafer 1, having the N conduction. The wafer is preferably monocrystalline, its purity must be high enough for the resistivity to be greater than 2 ohm-centimeters. This wafer can be extracted from a single crystal, obtained by growth of a germ of germanium crystal in molten germanium containing less than 0.05% of a donor body.
A first metal and flat electrode 2 is fixed to the plate 1 by means of a weld 3; the metal of this electrode must have a thermal expansion coefficient close to that of the wafer, we
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can use an alloy of iron, nickel and cooalt.
Solder 3 is a metal or a low melting point metal alloy, for example tin; the solder may contain a donor or acceptor body capable of supplying the wafer with charge carriers identical to its majority carriers. A tapered electrode 4 is welded to the surface of the wafer. For this purpose, the electrode being in contact with the wafer, a current of sufficient intensity is passed through the contact between these two elements for a short time interval to melt the tip of the electrode 4 and weld this to the wafer.
We will describe a mode of application of the method, object of the invention, to rectifiers similar to that of Figure 1. The diameter of the electrode 4 is between 0.075mm and 0.150mm; it is preferably equal to 0.1 mm. The electrode can be made of platinum, tungsten, or any other metal having suitable physical properties. The rectifier described comprises a platinum electrode.
This undergoes a heat treatment comprising two phases.
During the first phase of the heat treatment, the platinum wire in contact with a pulverulent mixture containing, by weight, 10 to 20% aluminum and the remainder of alumina, is brought to a non-oxidizing or reducing atmosphere at a temperature of between 400 C. and 600 C. for a period of between 4 and 6 hours. The duration of this treatment is all the shorter as it is carried out at a higher temperature. During this treatment, an alloy of aluminum and platinum is formed on the surface of the wire.
In order to impregnate the wire with platinum .. aluminum, throughout its mass, the wire is preferably subjected to a heat treatment which causes the diffusion of the aluminum. For this purpose, the wire is heated in a non-oxidizing or reducing atmosphere, at a temperature between 800 ° C. and 1000 ° C., for a time interval of between four and six hours. The duration of this second heat treatment is all the shorter as it is carried out at a higher temperature and vice versa.
The platinum wire is then cut into sections of length equal to that of an electrode 4. Then, the wire sections are bevelled at one of their ends. The value of the angle formed by the bevelled end of the electrode is not critical.
According to a variant of the invention, the platinum wire can be cut into sections and each of these bevelled at one of their ends, before the heat treatment.
The electrode 4 being brought into contact by its bevelled end with the plate 1, a current of sufficient intensity is passed through the contact between the electrode and the plate for a short period of time to weld the electrode to the electrode. plate in 5. In the case of an electrode with a diameter between the limits mentioned above, it suffices to apply, between the electrode and the plate, a potential difference of 40 volts for about a quarter of a second, the rectifier being in series with a resistance of 50 ohms.
To compare several of these rectifiers, several electrodes were fabricated, the bevel angle of which was strictly equal to 20. For this purpose, several sections of heat-treated platinum wire were fixed with wax on a glass plate, and the plate and the wires were ground so as to obtain the desired bevel angle.
Semiconductor diodes constructed with these electrodes were compared with an analog diode, whose tapered electrode had no
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not undergone heat treatment.
EMI3.1
<tb>
<tb>
Treatment <SEP> Voltage <SEP> Voltage <SEP> Intensity <SEP> Intensity <SEP> Resistance
<tb> direct <SEP> inverse <SEP> of <SEP> cou- <SEP> of <SEP> cou- <SEP> in <SEP> serial
<tb> rant <SEP> di- <SEP> rant <SEP> in- <SEP> with <SEP> the <SEP> rerect <SEP> for <SEP> trainer
<tb> v <SEP> v <SEP> mA <SEP> mA <SEP> Ohms
<tb> Yarns <SEP> bevelled <SEP> after <SEP> calorisation
<tb> Calorisation <SEP> step <SEP> <SEP> 0.70 <SEP> 18 <SEP> 20 <SEP> 0.54 <SEP> 750
<tb> Calorized <SEP> with
<tb> powder <SEP> to <SEP> 10 <SEP>% <SEP>
<tb> aluminum <SEP> 0.65 <SEP> 17 <SEP> 20 <SEP> 0.78 <SEP> 750
<tb> # <SEP> = <SEP> 400 C. <SEP> t = 6h <SEP> 0.65 <SEP> 0.78
<tb> broadcast
<tb> # <SEP> = <SEP> 800 C. <SEP> t = 6h
<tb> Calorized <SEP> with
<tb> powder <SEP> to <SEP> 10 <SEP>% <SEP>
<tb> aluminum <SEP> 0.54 <SEP> 26 <SEP> 20 <SEP> 0.74 <SEP> 950
<tb> e <SEP> = <SEP> 600 C.
<SEP> t = 5h
<tb> broadcast
<tb> e <SEP> = 1000 C. <SEP> t = 5h
<tb> Calorized <SEP> with
<tb> powder <SEP> to <SEP> 20%
<tb> aluminum <SEP>, 47
<tb>
EMI3.2
e = 60o Co t = 4h 0.4 20 0.69 750
EMI3.3
<tb>
<tb> broadcast
<tb> e <SEP> = 1200 C. <SEP> t = 4h
<tb> Beveled <SEP> wire <SEP> before <SEP> calorisation <SEP>
<tb> Calorized <SEP> with
<tb> powder <SEP> to <SEP> 10 <SEP>% <SEP>
<tb> aluminum <SEP> 0.385 <SEP> 0.72
<tb>
EMI3.4
9 = 600 Cot = 5h 0.3 5 17 20 0.72 0
EMI3.5
<tb>
<tb> broadcast
<tb> # <SEP> = 1000 C, <SEP> t = 5h
<tb>
From the preceding table, it can be seen that the heat treatment applied to the tapered electrode causes a reduction in the forward voltage.
This reduction is particularly noticeable when the heat treatment is applied after the bevelling of the tapered electrode.
It is assumed that the aluminum or aluminum alloy which permeates the electrode 4 diffuses into a region 6, comprising the welding area of the electrode to the wafer, and that a PN junction 7 forms at the limit of region 6 and the N conduction region of the wafer o The high ratio between the reverse and direct resistance of the device is due, in this hypothesis, to the properties of the junction 7 of the P-No type
The invention is not limited to the use of germanium; another N conduction semiconductor body can be used.