BE552308A - - Google Patents

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BE552308A
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Description


   <EMI ID=1.1> 

  
corps serai-conducteur comporte une couche limite p-n séparant deux zones de types de conduction différents contenant chacune une ou plusieurs impuretés déterminant le type de conduction et provoquant

  
 <EMI ID=2.1> 

  
gétiques primaires, qui, dans le schéma énergétique d'une telle zone, se trouvent si près d'une bande énergétique admise qu'à la plus basse température de régime ces niveaux sont pratiquement inoccupés et qu'à des températures supérieures à ladite température de régime leur degré d'occupation ne varie pratiquement pas. Il va de soi que les impuretés déterminant le type de conduction sont différen-tes pour les deux zones afin d'obtenir des zones de types de conduction opposés. L'invention concerne en outre un procédé de.fabrication d'untel système semi-conducteur à couche d'arrêt.

  
Les systèmes semi-conducteurs à couche d'arrêt connus présentent entre autres l'inconvénient suivant: les grandeurs qui caractérisent leur comportement électrique sont fortement tributaires de la température. Dans un semi-conducteur, à. température croissante, le produit du nombre d'électrons libres et le nombre de trous libres augmentent, à savoir suivant la formule : 

  
 <EMI ID=3.1> 

  
dans laquelle p et n représentent respectivement le nombre de trous libres et le nombre d'électrons libres, C est une constante, qui dépend uniquement du semi-conducteur et non des impuretés que con-

  
1

  
 <EMI ID=4.1> 

  
la grandeur de la zone énergétique interdite du semi-conducteur entre la bande de conduction et la bande de valence.

  
Une grandeur importante est, par exemple, l'intensité du courant d'arrêt, qui, lors de l'application d'une différence de

  
 <EMI ID=5.1> 

  
traverse cette couche limite. Ce courant d'arrêt est constitué par deux contributions, à savoir une contribution de courant électronique, qui est constituée par des porteurs de charge minoritaires de la zone P, et qui sont aspirés hors de cette zone p par l'intense champ électrique régnant dans le voisinage de la couche limite, et par une contribution de courant de trous constituée par des porteurs de charge minoritaires de la zone n, qui sont'aspirés hors de cette zone. Lors d'une augmentation de la température, le nombre de porteurs de charge minoritaires augmente relativement le

  
plus, ce qui implique une forte augmentation relative des contri-

  
-

  
butions individuelles au courant d'arrêt et du courant d'arrêt total. Dans le cas' d'un passage p-n entre deux zones telles que la conductibilité de la zone p est notablement plus grande que celle .de la zone n, le courant d'arrêt et la variation de l'intensité de ce courant en fonction de la température sont essentiellement déterminés par la contribution du courant de trous provenant de. la zone n. Lorsque la couche limite p-n est comprise entre deux zones telles que la conductibilité de la zone n est notablement plus grande que celle de la zone p, l'intensité du courant d'arrêt et la variation de cette intensité en fonction de la température sont essentiellement déterminés par la contribution du, courant électronique provenant de la zone p.

  
La. présente invention fournit entre autres un système se-

  
 <EMI ID=6.1> 

  
variations de l'intensité du courant en fonction de la température, en particulier du courant d'arrêt, sont notablement plus petites.

  
Dans le système à couche d'arrêt conforme à l'invention

  
 <EMI ID=7.1> 

  
duction différents, au moins l'une de ces zones comporte, outre les

  
 <EMI ID=8.1> 

  
puretés additionnelles qui provoquent des niveaux énergétiques distincts, qui, dans le schéma énergétique de ladite zone,, sont

  
 <EMI ID=9.1> 

  
la zone énergétique interdite entre la bande de conduction et la bande de valence appelés niveaux énergétiques secondaires, dont le degré d'occupation diminue notablement dans une zone de températures située au-delà de la température de régime la plus basse, de sorte que les variations de l'intensité du courant en fonction de la. température, en particulier du courant d'arrêt dans la barrière p-n, sont plus petites dans cette gamme de températures qu'en l'absence des niveaux énergétiques secondaires. 

  
-Par température de régime la plus basse, il y a lieu d'entendre ici la température de l'ambiance dans laquelle est utilisé le système à couche d'arrêt; pour cette température, on considère <EMI ID=10.1> 

  
germanium, le nickel, le cobalt et le fer. 

  
Lorsque la conductibilité des zones flanquant la couche d'arrêt p-n diffère notablement, par exemple de plus d'un facteur 5, les impuretés additionnelles, pour autant qu'elles ne soient pas incorporées dans les deux zones, sont utilisées, de préférence, dans la zone à conductibilité la plus faible, étant donné que c'est précisément cette zone qui détermine essentiellement l'intensité du courant d'arrêt et les variations de cette intensité en fonction de la température. Il est évidemment important que les impuretés additionnelles se trouvent dans la zone à plus basse conductibilité, lorsque la conductibilité des zones diffère d'un facteur plus grand que 20, car, dans ce cas, le courant d'arrêt provient, pour ainsi dire uniquement, de la zone à conductibilité la plus faible.

  
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non-limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.

  
La figure 1 est un schéma énergétique de la zone n d'un système à couche d'arrêt conforme à l'invention. La figure 2 donne la résistivité d'un semi-conducteur, mesurée à la température ambiante normale, en fonction de la température à laquelle des impuretés additionnelles ont été diffusées dans ce semi-conducteur. La figure 3 est une coupe d'une diode à cristal conforme à l'invention.

  
L'effet de l'invention sera expliqué théoriquement à 1' aide de la contribution de courant de trous, provenant de la zone

  
 <EMI ID=11.1> 

  
comme semi-conducteur du germanium.. Il est évident que des considérations analogues s'appliquent à la contribution au courant électronique provenant de la zone p du système à couche d'arrêt.

  
La figure 1 donne, sous une forme simplifiée, la partie importante pour la conduction du schéma énergétique d'une zone constituée par du germanium du type n. L'énergie électronique est por-tée verticalement vers le haut, tandis qu'horizontalement on trou-

  
i 

  
ve l'emplacement uni-dimensionnel dans la zone n. Les bandes énergétiques admises, à savoir la bande de conduction, dont le côté intérieur est indiqué par C, et la bande de valence, dont le côté supérieur est indiqué par V, sont représentées partiellement par des hachures. F donne la position du niveau Fermi. Entre le côté supérieur de la bande de valence V et le côté intérieur de la bande de conduction C se trouve l'intervalle énergétique interdit, qui pour le germanium, est de 0,72 électronvolt. Dans le germanium est introduite une impureté déterminante pour le type de conduction, à savoir le donneur antimoine, qui provoque des niveaux de donneur distincts se trouvant à très courte distance, à savoir à 0,0097 électronvolt, du côté inférieur de la bande de conduction et formant les niveaux énergétiques primaires de cette zone de type n.

  
En outre, la zone n contient, comme impureté additionnelle, du nickel. Le nickel provoque deux jeux de niveaux d'accepteurs indiqués par Ni^ et Ni.?. Les niveaux Ni. sont situés,entré les niveaux énergétiques primaires Sd et le milieu de la zone énergétique interdite à une distance d'environ 0,30 eV du côté inférieur de la bande de conduction. Dans le cas envisagé, les niveaux Ni 2 ne sont que d' importance secondaire. A la température ambiante normale, les niveaux énergétiques primaires Sb ,sont inoccupés par le fait qu'ils ont cédé leurs électrons à la bande de conduction, pour autant que ces'électrons ne soient pas utilisés pour remplir les niveaux de nickel situés plus bas. A la température ambiante normale, le niveau de Fermi se trouve alors tout juste au-delà des niveaux énergétiques secondaires Ni, .

   Le cas représenté se produira, lorsque le rapport du nombre d'atomes d'antimoine au nombre d'atomes de nickel est d'environ 5 : 2. Lorsque la température augmente, le niveau de Fermi F baisse le long de l'axe énergétique vertical jusqu'à ce que,

  
 <EMI ID=12.1> 

  
une manière pratiquement intrinsèque, ce niveau atteigne le milieu de la zone énergétique interdite (F'). Dans la gamme de températu-tures dans laquelle le niveau de Fermi passe les niveaux secondaires, le degré d'occupation de ces niveaux diminue notablement par le fait que des électrons additionnels de ces niveaux énergétiques sont excités vers la bande de conduction. De ce fait, dans cette gamme de températures le nombre d'électrons disponibles pour la conduction est plus grand que le nombre disponible en l'absence des niveaux secondaires.

   Toutefois, de la formule mentionnée dans le préambule, il résulte que les variations en fonction de la température du produit du nombre de trous libres et du nombre d'électrons libres est indépendant des impuretés se trouvant dans le semi-conducteur, de sorte que, par l'augmentation additionnel du nombre d' électrons libres résultant de l'excitation des niveaux énergétiques secondaires, l'accroissement du nombre de trous libres à température croissante ne saurait être aussi grand que dans le cas où cette excitation ne se produirait pas.

   Etant donné que la contribution de la zone n au courant d'arrêt est précisément constituée par un courant de trous et que ce courant de trous est directement proportionnel au nombre de trous libres disponible, les variations, en fonction de la température de l'intensité du courant d'arrêt dans la zone de températures, dans laquelle se produit l'excitation, sont beaucoup plus petites qu'en l'absence de l'excitation additionnelle. 

  
 <EMI ID=13.1> 

  
nes une impureté additionnelle qui provoque des niveaux énergétiques secondaires, qui, à la plus basse température de régime, sont encore occupés, pour ainsi dire entièrement, par des porteurs de  charge majoritaires, de sorte qu'un nombre aussi grand que possible de porteurs de charge majoritaires, excités des niveaux énergétiques secondaires, peut contribuer à la réduction des variations de l'intensité du courant d'arrêt en fonction de la température. Dans l'exemple précédent, on a utilisé comme Impureté déterminant le type de conduction un donneur et comme impureté additionnelle un accepteur.. Toutefois, de préférence, l'impureté déterminant le type de conduction et l'impureté additionnelle d'une zone sont de

  
la même sorte, donc toutes deux un accepteur ou toutes deux un donneur. En effet, lorsque les deux impuretés sont d'une sorte différente, des porteurs de charge des niveaux énergétiques primaires sont amenés dans les niveaux énergétiques secondaires situés plus bas, de sorte qu'à la température ambiante normale, la résistivité et la contribution au courant d'arrêt de la zone pourraient devenir trop grandes. On pourrait compenser cette perte en porteurs

  
de charge libres par un dosage additionnel élevé en impuretés déterminant le type de conduction. Toutefois, en pratique, la solubilité d'une impureté dans un semi-conducteur est limitée, de sorte que, dans certains cas, le haut dosage désiré serait pratiquement irréalisable.

  
D'une façon générale, on peut calculer sans plus l'effet d'une diminution des variations, en fonction de la température, de l'intensité du courant d'arrêt par dosage à l'aide d'une impureté additionnelle. On dispose de la grandeur et de la position de la gamme de températures dans laquelle se produit une diminution des variations de la température, par un choix judicieux de la teneur en impureté additionnelle déterminant le type de conduction et par un choix judicieux d'une impureté additionnelle présentant la distance désirée des niveaux énergétiques secondaires par rapport à

  
la bande énergétique. Afin d'obtenir une réduction notable des variations en fonction de la température de l'intensité du courant d'arrêt, la teneur en impureté additionnelle est choisie, de préférence, du même ordre de grandeur que la teneur en impureté déterminant le conduction, c'est-à-dire dans le rapport de 0,1 : 1. Il est connu,que l'or provoque dans le silicium un niveau donneur à environ 0,33 eV de la bande de valence et un second niveau, probablement aussi un niveau donneur, à 0,3 eV de la bande de conduction.

  
Dans un système à couche d'arrêt conforme à l'invention, dont le ,-corps semi-conducteur est constitué par du silicium, l'or constituerait donc une impureté additionnelle particulièrement avantageuse. 

  
Un procédé conforme à l'invention pour la fabrication d' un système à couche d'arrêt tel que décrit consiste à diffuser dans un corps à type de conduction déterminé l'impureté additionnelle et à réaliser ensuite dans ce corps une zone à type de conduction opposé à celui du corps original. Lorsqu'il s'agit d'un procédé pour fabriquer un système à couche d'arrêt dont le corps semi-conducteur comporte deux zones de types de conduction différents et de conductibilités différentes, on diffuse, de préférence, l'impureté

  
 <EMI ID=14.1> 

  
faible, après quoi on réalise, dans de corps, une zone à conductibilité assez élevée etdont le type de conduction diffère de celui du corps original. Lors de la mise en oeuvre du procédé, on peut, conformément à l'invention, tirer parti d'une méthode pratique pour en arriver, pour ainsi dire sans calcul préalable, à la fabri-

  
 <EMI ID=15.1> 

  
rée des variations de l'intensité du courant d'arrêt en fonction de la température. Cette méthode, qui sera décrite ci-après, n'est cependant utilisable que lorsqu'on diffuse dans une zone une impureté additionnelle d'un autre type que l'impureté déterminant le ty-

  
 <EMI ID=16.1> 

  
puretés .dans ce domaine provoque un niveau donneur et l'autre un ni. veau accepteur. Elle est basée entre autres sur l'idée que, lors

  
de la diffusion d'une impureté dans un corps semi-conducteur, la

  
 <EMI ID=17.1> 

  
teur présentant un type de conduction.déterminé par suite de la présence d'une impureté déterminant ce type de conduction, est chauffé en contact avec une impureté additionnelle d'un autre type que l'impureté déterminant le type de conduction, la résistivité du corps semi-conducteur, mesurée à la température ambiante nor-

  
 <EMI ID=18.1> 

  
duite la diffusion, de la manière indiquée sur la figure 2, Cette  <EMI ID=19.1>  ducteur, mesurée à la température ambiante normale, et en abscisses, la température Td à laquelle s'est effectuée la diffusion. La caractéristique comporte une partie en palier comprise entre deux parties ascendantes.

   Le procédé conforme à l'invention consiste en ce que, tout d'abord, par un certain nombre d'essais sur une éprouvette, on détermine par diffusion d'une impureté addditionnelle dans un corps semi-conducteur à diverses températures, impureté qui est d'un autre type que l'impureté déterminant le type de .conduction du corps semi-conducteur, la caractéristique donnant la relation entre la température à laquelle s'est effectuée la diffusion et la résistivité du corps semi-conducteur mesurée à la température ambiante normale, caractéristique qui comporte une partie en palier comprise entre deux parties ascendantes et qu'ensuite, au cours de la fabrication, on procède à la diffusion de l'impureté additionnelle à une température, à laquelle ladite caractéristique accuse après une ascension progressive une partie notablement plus en palier.

   Sur la figure 2,. une zone de température appropriée, .  dans laquelle peut se trouver cette température et qui peut s'étendre sur 20[deg.]C, est indiquée par les deux traits verticaux et par

  
 <EMI ID=20.1> 

  
Les procédés conformes'à l'invention seront exposés en détail à l'aide de deux exemples de fabrication d'une diode à cristal conforme à l'invention.

  
EXEMPLE 1..Un disque de germanium monocristallin du type n à résistivité de 1 ohm/cm et d'une épaisseur d'environ 0,5 cm, .contenant de l'antimoine comme impureté déterminant le type de conduction, est <EMI ID=21.1> 

  
constituée par du nickel, se diffuse dans ledit semi-conducteur. Après un lent refroidissement on mesure, à la. température ambiante normale, la résistivité du disque. Le chauffage, le refroidisse-ment et la mesure de la résistivité sont répétés .un certain nombre de fois, le chauffage demandant chaque fois une heure et la température de diffusion étant chaque fois augmentés de 20[deg.]C. On obtient ainsi la caractéristique qui donne la relation entre la

  
 <EMI ID=22.1> 

  
conducteur, relevée à la température ambiante normale, caractéristique qui est représentée schématiquement à la figure 2. La tempé-

  
 <EMI ID=23.1> 

  
débuta la caractéristique présente une forme en palier, est d'environ 770[deg.]C. En se basant sur ce résultat, on nickèle un grand morceau du même germanium et on le chauffe pendant trois heures à 770[deg.]

  
 <EMI ID=24.1> 

  
ceau en disques plus petits, approximativement de 2 x 2 x 0,2 mm. Les disques dont une surface est recouverte de nickel, restent in tilisés. Sur une face d'un tel disque 1, représenté en coupe sur la figure 3, on applique, par alliage, une boulette d'indium afin d'obtenir un contact d'indium 2, sous lequel se trouve une zone 3, rendue impure à l'aide d'indium, et constituée par du germanium du <EMI ID=25.1> 

  
ne. L'application par alliage et la soudure peuvent s'effectuer simultanément en chauffant, pendant 6 minutes, à une température de
450[deg.]C. Au contact d'indium 2 on relie, de manière connue, un conducteur d'alimentation 6. Des mesures ont prouvé qu'aux températures élevées, les variations de l'intensité du courant d'arrêt en fonction de la température sont réduites dans le rapport de 2 : 1, EXEMPLE II.- 

  
Un morceau de germanium monocristallin du type p, à résistivité de 1,5 ohm/cm et comportant de l'indium comme impureté déterminant le type de conduction, est garni d'une couche constituée par du cobalt constituant l'impureté additionnelle et est ensuite chauffé, à une température d'environ 800[deg.]C, pendant 24 heures, dans une ambiance d'azote. Ensuite, ce morceau est subdivisé en petits disques d'environ 2 x 2 x 0,2 mm. Les disques dont une face est recouverte de cobalt restent ensuite inutilisés. Sur une faee d'un tel disque, on applique, par alliage, une boulette comportant en

  
 <EMI ID=26.1> 

  
sous lequel se trouve une zone du type n rendue impure, essentiellement à l'aide d'arsénium. L'autre face du disque est soudée sur

  
une base de nickel à. l'aide d'une soudure comportant en poids 99% d'étain et 1% de gallium. L'alliage et la soudure peuvent être effectués simultanément en chauffant l'ensemble à une température d' environ 600[deg.]C pendant 5 minutes. Des mesures ont permis de constater que les variations de l'intensité du courant d'arrêt en fonction de la température de la diode sont notablement plus petites.

  
Dans ce cas, la détermination de la température de diffusion appropriée ne peut s'effectuer de la manière pratique décrite, car'1' impureté indium déterminant le type de conduction et l'impureté additionnelle cobalt sont du même type.

  
Enfin, il y a lieu de noter que l'invention n'est nullement limitée aux systèmes à couche d'arrêt dont le corps semi-conducteur est constitué par du germanium ou du silicium, mais qu'elle est également applicable aux systèmes à couche d'arrêt dont le <EMI ID=27.1>  par exemple du InP ou du GaAs. Comme on le sai-t, dans ces semiconducteur on peut créer des niveaux donneurs et accepteurs non seulement par l'incorporation d'impuretés, mais en incorporant dans

  
le réseau cristallin un excès de cations, respectivement d'anions.

  
La notion impureté doit donc être prise dans un sens très large, étant donné qu'elle comprend les écarts par rapport à la composition stoechiométrique.

Claims (1)

  1. RESUME.
    1.- Système à couche d'arrêt semi-conducteur, par exemple
    une diode à cristal ou un transistor, dont le corps semi-conducteur comporte une couche limite ou barrière p-n séparant deux zones de types de conduction différents dont chacune comporte une ou plu-sieurs impuretés déterminant leur type de conduction, et provoquent des niveaux énergétiques distincts, appelés par la suite niveaux énergétiques primaires, qui, dans le schéma énergétique d'une <EMI ID=28.1>
    ils restent pratiquement inoccupés à la plus basse température de régime et que leur degré d'occupation reste pratiquement inchangé
    à des températures supérieures à ladite température de régime, caractérisé en ce que dans au moins l'une des deux zones se trouvent en outre une ou plusieurs impuretés provoquant des niveaux énergétiques distincts qui se trouvent, dans le schéma énergétique de la zone en cause, entre les'niveaux énergétiques primaires et le milieu de la zone énergétique interdite entre la bande de valence et la bande de conduction, appelés niveaux énergétiques secondaires, dont le degré d'occupation diminue notablement dans une zone de température au-delà de ladite température de régime, de sorte que, dans cette gamme de températures,' les variations en fonction de la température de l'intensité du courant dans le système à couche' d'arrêt, sont plus petites qu'en l'absence des niveaux énergétiques secondaires.
    2.- Des formes de réalisation du système à couche d'arrêt semi-conducteur tel que spécifié' sous 1, pouvant présenter en ou... tre les particularités suivantes, prises séparément ou en combinaison : <EMI ID=29.1>
    une couche limite p-n et l'impureté additionnelle est introduite au moins dans la zone à plus faible conductibilité ;
    b) les conductibilités des zones diffèrent d'un facteur plus grand que 5 ; c) les conductibilités différent d'un facteur plus grand que 20 ; d) les deux zones comportent une impureté additionnelle ; e) l'impureté additionnelle provoque, dans au moins l'une des deux zones, des niveaux énergétiques secondaires, qui, à la plus basse température de régime, sont encore occupés, pour ainsi dire entièrement, par des porteurs de charge majoritaires ; f) dans au moins l'une des deux zones, l'impureté déterminant le type de conduction est du même type que l'impureté additionnelle g) dans au moins l'une 'des deux zones, la teneur en impureté additionnelle est du même ordre de grandeur que la teneur en impureté déterminant le type de conduction ;
    h) le corps semi-conducteur est constitué par du germanium et, comme impureté additionnelle, on'utilise du nickel ;
    <EMI ID=30.1>
    nium et, comme impureté additionnelle, on utilise du cobalt ;
    j) le corps semi-conducteur est constitué par du germa-
    <EMI ID=31.1>
    k) le corps semi-conducteur est constitué par du silicium et, comme impureté additionnelle, on utilise de l'or
    <EMI ID=32.1>
    semi-conducteur tel que spécifié sous 1 ou 2, caractérisé en ce que l'impureté additionnelle est diffusée dans un corps semi-conducteur d'un type de conduction déterminé et que, dans ce corps, on forme ensuite une zone de type de conduction opposé à celui du corps initial.
    4.- Des formes de réalisation du procédé spécifié sous 3,
    <EMI ID=33.1>
    parément ou en combinaison ;
    a) le corps semi-conducteur comporte de chaque côté de la <EMI ID=34.1>
    ductibilités différentes et, dans un corps semi-conducteur à assez faible conductibilité, on diffuse l'impureté additionnelle, après quoi on forme dans ce corps une zone à conductibilité assez élevée et à type de conduction différent de celui du corps initial
    b) on détermine d'abord, par un certain nombre d'essais effectués sur une éprouvette, par diffusion à diverses températures d'une impureté additionnelle dans un corps semi-conducteur impureté qui est d'un, autre type que l'impureté déterminant le type de conduction du corps semi-conducteur, la caractéristique qui donne la relation entre la température, à laquelle s'est produite la diffusion et la résistivité du corps serai-conducteur mesurée à la température ambiante normale, caractéristique qui comporte une partie en palier située entre deux parties ascendantes et ensuite, peu'-
    <EMI ID=35.1>
    effectuée à. une température pour laquelle ladite caractéristique, apr&#65533;s un accroissement progressif, présente une partie en palier.
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