Dispositif amplificateur électrique comprenant un corps de matériau semi-conducteur. Il est bien connu qu'un dispositif com portant un cristal constitué par une subs tance semi-conductrice convenable telle que la silice ou du germanium, peut être amené à agir comme amplificateur, en montant le cristal sur une plaque métallique, dite élec trode de base, et en lui associant deux élec trodes en forme de fil fin, disposées très près l'une de l'autre, et en contact avec la surface du cristal.
Un tel dispositif amplificateur est souvent désigné par transistor ou tran- sistron . L'électrode d'entrée est appelée électrode émettrice, et l'électrode de sortie est appelée électrode collectrice. En polari sant convenablement ces dernières électrodes par rapport à l'électrode de base, le dispo sitif peut être amené à agir comme amplifi cateur, de façon analogue à un tube thermo- ïonique. A cause de cette analogie, un tel dis positif a également été désigné par triode à cristal . Cependant l'expression transistor est. plus générale, le nombre d'électrodes n'étant pas limité à trois.
Le mot cristal est destiné à signifier sim plement que le germanium, ou d'autres semi- conducteurs, sont usuellement sous forme cristalline. De tels matériaux ne sont jamais constitués par un seul cristal.
,Jusqu'à présent, le meilleur semi-conduc teur pour les transistors est le germanium. Dans l'étude des matériaux semi-conduc teurs destinés à être utilisés comme redres seur, il est de pratique courante, de diviser les matériaux en deux classes, à savoir les matériaux de type N, et les matériaux de type P. Dans les matériaux de type N, le courant de conduction est considéré comme étant prin cipalement dû à la migration d'électrons libres, tandis que dans les matériaux de type P, on pense qu'il est dû à la migration de ce que l'on appelle des trous positifs , c'est- à-dire des manques d'électrons dans des atomes du matériau.
Suivant le traitement qu'il a subi, le germanium peut assumer l'une ou l'autre forme.
On peut ajouter que le germanium type N peut aisément être distingué du germa nium type P en le disposant comme un redresseur utilisant une seule électrode en fil fin. Alors le redresseur présente la basse résistance lorsque ladite électrode est posi tive par rapport à la base pour le germanium type N, tandis que pour le germanium type P, c'est la haute résistance qui se présente lorsque ladite électrode est-positive par rap port à la base.
Jusqu'à présent, on a trouvé que pour ob tenir un transistor avec des caractéristiques satisfaisantes, la surface du cristal doit être relativement dure, tandis que l'électrode en fil fin doit être relativement molle et conte nir une petite quantité d'une substance d'ad dition convenable, telle que du phosphore ou de l'arsenic, dans le cas où un matériau du type N est utilisé comme semi-conducteur. Par exemple, le bronze phosphoreux convient comme matériau pour les électrodes en fil fila des transistors utilisant du germanium type N. Un traitement convenable d'électr ofor- mation des électrodes est nécessaire.
Jusqu'à présent, on a considéré comme essentiel que les pointes des électrodes voi sines en fil fin ne soient pas à phis d'envi ron 0,05 mm de distance l'une de l'autre, -et cette condition conduit à de grandes diffi cultés de fabrication.
Le but principal de la présente invention est de simplifier la fabrication des dispositifs amplificateurs électriques du. type compre nant iin corps de matériau semi-conducteur, en évitant la nécessité d'une distance aussi faible entre les deux pointes des électrodes voisines.
La présente invention concerne donc un dispositif amplificateur électrique compre nant un corps de matériau semi-conducteur et, en contact avec la surface de ce corps, au moins trois électrodes, à savoir une électrode émettrice, une électrode collectrice et une électrode de base, l'électrode émettrice et l'électrode collectrice étant voisines l'une de l'autre. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'au moins la partie de ladite électrode émet trice qui est en contact avec le matériau semi- conducteur est en or.
L'invention concerne également un pro cédé de fabrication du dispositif amplifica teur défini ci-dessus, ce procédé étant carac térisé -en ce qu'on construit l'électrode émet trice de façon que sa surface en contact avec le matériau semi-conducteur soit en or, en ce qu'on fait passer -an courant électrique entre les électrodes émettrice et collectrice- dans une direction telle qu'il transporte Lin peu de l'or de l'électrode émettrice dans la couche de surface du semi-conducteur, et en ce qu'on fait passer un autre courant électrique entre lesdites électrodes dans la direction corres pondant à celle de résistance élevée de l'élec trode collectrice.
Des formes d'exécution de l'objet de l'in vention seront décrites, à titre d'exemple, en regard du dessin joint, dans lequel: La fig. 1 montre à 'grande échelle une vue en coupe d'une triode à cristal. La fig: 2 montre, à une échelle encore agrandie et en coupe, comment l'une des élec trodes en fil fin peut être constituée.
La fig. 3 montre un circuit d'électro- formation.
La fig. 4 représente une courbe utilisée dans l'exposé du fonctionnement du circuit, et la fig. 5 montre une vue en coupe d'une triode à cristal. du type coaxial.
En se reportant à la fig. 1, une triode à cristal telle que représentée, est constituée par -Lui cristal de germanium 1, monté sur l'électrode de base 2, comportant une tige métallique 3, au moyen de laquelle elle peut être fixée dans un boîtier convenable, cette pièce 3 servant aussi de borne pour la base. L'électrode émettrice 4 et l'électrode collec trice 5 sont constituées par des fils fins qui ont été pourvus de pointes aiguës. Le maté riau de l'électrode émettrice 4 est constituée d'or, tandis que l'électrode collectrice 5 est faite en bronze phosphoreux, ou en un autre métal mou convenable contenant des impure tés donatrices (en admettant que le cristal de germanium 1 est du type N).
On a trouvé que, si la triode à cristal est soumise à un traitement d'électro-formation convenable, qui sera décrit plus loin, les pointes des deux électrodes 4 et 5 peuvent être espacées d'en viron 0,5 à 1 mm l'une de l'autre, au lieu de la distance antérieure qui n'était. que d'envi ron 0,05 mm.
Le fait que les électrodes peuvent être pla cées à Lune distance aussi importante l'une de l'autre rend possible de les assembler aLi moyen d'une pièce d'espacement 6 en maté riau isolant-, tel que du mica, au moyen de laquelle l'espacement convenable sera assuré automatiquement.
On doit comprendre que la fig. 1 est sché matique et n'est pas destinée à indiquer les détails du dispositif pour le montage de la pièce de maintien du cristal 3 et l'assemblage des électrodes 4, 5 et 6, ces arrangements pou vant prendre n'importe quelle forme conve nable désirée.
Il est par contre essentiel pour l'électrode émettrice 4 que son matériau de surface soit de l'or; cette électrode peut être formée, comme représenté dans la fig. 2, en prenant un fil à pointe en biseau 7 de tout métal convenable, tel que le tungstène ou le cuivre, ;dont on couvre la surface avec une couche d'or 8, par placage par exemple.
Il doit être bien compris que les élec trodes 4 et 5 peuvent avoir des pointes co niques, et que tout autre moyen convenable peut être adopté pour assurer l'espacement convenable entre les pointes des deux élec trodes.
Le traitement d'électro-formation néces saire, mentionné ci-dessus, peut être effectué au moyen du circuit représenté à la fig. 3.
Dans la fig. 3, un générateur 10 d'ondes en dents de scie, ayant un circuit de sortie à basse impédance et capable de fournir des courants jusqu'à environ 100 milliampères, possède une borne connectée à la terre, et l'autre borne connectée à l'électrode émet trice 4, par l'intermédiaire du eommutâteur inverseur 9. Le circuit est complété par deux résistances 11 et 12, connectant l'électrode collectrice 5 à la terre, et un commutateur 13 est prévu au moyen duquel la résistance 12 peut être court-circuitée.
Le dispositif de test comprend un tube à rayon cathodique 14 de type usuel, dont seules les plaques de déviation sont représen tées. Les plaques de déviation horizontale 15 sont connectées respectivement aux électrodes 4 et 5, et les plaques de déviation verticale 16 sont connectées aux résistances 11 et 12. Il est clair que la déviation horizontale du rayon cathodique sera- proportionnelle au vol tage appliqué entre les électrodes émettrice et collectrice 4 et 5, et que la déviation verti cale sera proportionnelle au courant qui passe entre les deux électrodes.
Le générateur 10 doit être établi pour produire des voltages de sortie en forme de dents de scie, positifs à la borne supérieure par rapport à la borne inférieure, tel qu'in diqué dans la fig. 3. Le traitement de for mation consiste en deux étapes qui doivent être exécutées dans l'ordre suivant. Dans la première étape, le commutateur 9 est ac- tionné vers la droite, de façon que l'électrode collectrice 5 soit rendue positive par rapport à l'électrode émettrice 4. Ceci est fait dans le but de faire diffuser un peu de l'or de l'électrode émettrice 4 dans la couche de sur face du cristal de germanium.
Les résistances 1.1 et 12 doivent être choisies de façon que normalement seul un courant modéré circule dans le circuit de formation. Si le commu tateur 13 est fermé, la résistance 12 sera court-circuitée et le courant sera augmenté, et ceci provoquera le transport d'or sur la surface de germanium. Un courant plus grand ne doit pas passer assez longtemps pour provoquer que de l'or soit répandu sur l'électrode collectrice 5 et une indication que la première étape du traitement est terminée résulte du fait que la résistance inverse> mesurée entre l'électrode émettrice 4 et l'élec trode de base 2 (dans le sens inverse de celui du passage aisé du courant), est réduite à environ 10 000 ohms.
Pour la seconde étape du traitement, le commutateur inverseur 9 est actionné vers la gauche, le commutateur 13 étant d'abord ouvert. Des voltages positifs sont alors appli qués sur l'électrode émettrice 4 au lieu de l'être sur l'électrode collectrice 5. La direc tion du courant correspond alors à celle de résitance élevée de l'électrode collectrice. On trouve que généralement la courbe tracée sur l'écran de l'oscillographe est d'abord comme montré dans la fig. 4-par les courbes en ligne pleine 17, 18. Cette courbe montre le cou rant dans le circuit en ordonnées en fonction du voltage du générateur en abscisses, pen dant le mouvement de balayage des ondes en dents de scie.
Une courbe de retour .diffé rente est tracée durant le retour du rayon cathodique, mais ceci est sans intérêt et n'est pas visible en raison de la rapidité du retour de ce spot à zéro. On voit que la courbe 17, 18 présente une boucle avec une portion 18 ayant une pente négative, indiquant une ré sistance négative entre les électrodes 4 et 5.
Ensuite, le commutateur 13 est momenta nément fermé, court-circuitant ainsi la résis tance 12 et augmentant considérablement le courant dans le circuit. En même temps, la courbe tracée sur le tube 14 s'effondre mo mentanément vers le bas, en raison de la ré duction de l'échelle verticale per- le court- circuitage de la résistance.
Lorsque le commutateur 13 est de nou veau ouvert, on trouve ordinairement que la, boucle de la courbe 17 -a été réduite, et dans certains cas elle aura complètement disparu, la courbe sur l'écran étant alors comme mon trée partiellement par la ligne pleine 17 et partiellement par la ligne en pointillé 19. Si la boucle ne disparaît pas entièrement la pre mière fois, en répétant le processus deux ou trois fois, elle peut être entièrement suppri mée, si bien que la courbe caractéristique suit la portion uniforme pointillée 19. Ceci est la condition suivant laquelle on trouvera que. la triode à cristal produit le maximum de gain de courant.
Pour de plus amples détails con cernant le processus formant la seconde étape du traitement d'électro-formation on pourra se référer au brevet britannique N 681809.
Il doit être particulièrement noté que ces deux processus de formation sont exécutés entre les deux électrodes 4 et 5 et non entre lime ou l'autre des électrodes et la base 3, qui demeure déconnectée dans le circuit de formation.
On doit ajouter que l'emploi d'ondes en dent de scie n'est pas essentiel pour la for mation des électrodes triodes à cristal; on pourrait également utiliser, par exemple, des impulsions rectangulaires. Cependant l'em ploi d'ondes en dent de scie convient très bien lorsqu'on désire exécuter la formation ét le processus de test dans le même circuit.
Dans le type coaxial de triode à cristal montré dans la fig. 5, un disque circulaire 20 de germanium est monté dans un tube catho dique 21, et les électrodes en fil fin 22 et 23, montrées avec, par exemple, des pointes co niques, sont arrangées axialement, faisant contact avec les faces opposées du disque 20. Jusqu'à présent, il a été nécessaire de meuler le disque au centré jusqu'à une épaisseur de 0,025 à 0,050 mm, de façon à ce que l'espace ment nécessairement, très petit entre.les_élec- trodes soit maintenu.
Si cependant, suivant la présente invention, l'électrode émettrice 22 est en or, ou plaqué or, le disque 20 peut avoir une épaisseur jusqu'à 7 mm environ, et ceci ne présentera pas de difficulté particulière.
Il doit être entendu que l'invention s'ap plique également aux transistors employant un semi-conducteur. du. type P. Dans ce cas, l'électrode collectrice contiendra de préfé rence une petite quantité d'une impureté du type accepteur , et la seule modification né cessaire est d'exécuter les deux étapes de for mation en utilisant des voltages de formation de signe opposé à ceux mentionnés ci-dessus.
Les triodes à cristal ayant des électrodes émettrices en or, employées comme amplifi cateurs, donnent un gain de puissance surpas sant 20 décibels. Elles produisent également une amplification de courant surpassant le rapport 2/1, c'est-à-dire que le courant de sorti, à partir de l'électrode collectrice, sera plus" de deux fois le courant d'entrée de l'électrode émettrice.
De plus, dans ce type de triode à cristal, le rétrocouplage positif à partir de l'électrode collectrice vers l'élec trode émettrice qui, comme on le sait, se pro duit dans les triodes à cristal, sera considé rablement réduit, permettant ainsi des. vol tages de fonctionnement stables plus élevés, ainsi que des courants plus intenses dans le circuit de l'électrode collectrice, conduisant. ainsi à une puissance de sortie plus élevée.
An electrical amplifier device comprising a body of semiconductor material. It is well known that a device comprising a crystal constituted by a suitable semiconductor substance such as silica or germanium, can be made to act as an amplifier, by mounting the crystal on a metal plate, called an electrode. base, and by associating with it two electrodes in the form of a fine wire, placed very close to each other, and in contact with the surface of the crystal.
Such an amplifier device is often referred to as a transistor or a transistron. The input electrode is called the emitter electrode, and the output electrode is called the collector electrode. By suitably polarizing these latter electrodes with respect to the base electrode, the device can be made to act as an amplifier, analogous to a thermionic tube. Because of this analogy, such a positive has also been referred to as a crystal triode. However the expression transistor is. more generally, the number of electrodes is not limited to three.
The word crystal is intended to simply mean that germanium, or other semiconductors, are usually in crystalline form. Such materials are never made up of a single crystal.
, So far the best semiconductor for transistors is germanium. In the study of semiconductor materials intended for use as straighteners, it is common practice to divide materials into two classes, namely N-type materials, and P-type materials. type N, the conduction current is believed to be mainly due to the migration of free electrons, while in P-type materials it is believed to be due to the migration of so-called particles. positive holes, ie lack of electrons in the atoms of the material.
Depending on the treatment it has undergone, germanium can assume one or the other form.
It may be added that N-type germanium can easily be distinguished from P-type germanium by arranging it as a rectifier using a single fine wire electrode. Then the rectifier exhibits the low resistance when said electrode is positive with respect to the base for N type germanium, while for P type germanium, it is the high resistance which occurs when said electrode is positive relative to the base. at the base.
Heretofore, it has been found that in order to obtain a transistor with satisfactory characteristics, the surface of the crystal must be relatively hard, while the fine wire electrode must be relatively soft and contain a small amount of a substance. additionally, such as phosphorus or arsenic, in the case where an N-type material is used as a semiconductor. For example, phosphor bronze is suitable as a material for fila wire electrodes of transistors using N type germanium. A suitable electroforming treatment of the electrodes is required.
Heretofore, it has been considered essential that the tips of neighboring fine wire electrodes are not about 0.05 mm apart from each other, and this condition leads to major manufacturing difficulties.
The main aim of the present invention is to simplify the manufacture of electrical amplifier devices of the. type comprising a body of semiconductor material, avoiding the need for such a small distance between the two tips of the neighboring electrodes.
The present invention therefore relates to an electric amplifier device comprising a body of semiconductor material and, in contact with the surface of this body, at least three electrodes, namely an emitting electrode, a collecting electrode and a base electrode, the the emitting electrode and the collecting electrode being adjacent to each other. This device is characterized in that at least the part of said emitting electrode which is in contact with the semiconductor material is made of gold.
The invention also relates to a process for manufacturing the amplifying device defined above, this process being characterized -in that the emitting electrode is constructed so that its surface in contact with the semiconductor material is in gold, in that an electric current is passed between the emitting and collecting electrodes - in a direction such that it carries little of the gold from the emitting electrode into the surface layer of the semiconductor, and in passing another electric current between said electrodes in the direction corresponding to that of high resistance of the collector electrode.
Embodiments of the object of the invention will be described, by way of example, with reference to the accompanying drawing, in which: FIG. 1 shows on a large scale a sectional view of a crystal triode. Fig: 2 shows, on a still enlarged scale and in section, how one of the fine wire electrodes can be made.
Fig. 3 shows an electro-training circuit.
Fig. 4 represents a curve used in the description of the operation of the circuit, and FIG. 5 shows a sectional view of a crystal triode. of the coaxial type.
Referring to fig. 1, a crystal triode as shown, is constituted by -He germanium crystal 1, mounted on the base electrode 2, comprising a metal rod 3, by means of which it can be fixed in a suitable housing, this part 3 also serving as a terminal for the base. The emitter electrode 4 and the collector electrode 5 are formed by fine wires which have been provided with sharp points. The material of the emitting electrode 4 is made of gold, while the collecting electrode 5 is made of phosphor bronze, or other suitable soft metal containing impure donor tees (assuming that the germanium crystal 1 is type N).
It has been found that if the crystal triode is subjected to a suitable electroforming treatment, which will be described later, the tips of the two electrodes 4 and 5 can be spaced apart by about 0.5 to 1 mm. 'from each other, instead of the previous distance that was. only about 0.05 mm.
The fact that the electrodes can be placed at such a great distance from each other makes it possible to assemble them by means of a spacer 6 of insulating material, such as mica, by means of which the proper spacing will be ensured automatically.
It should be understood that fig. 1 is schematic and is not intended to indicate the details of the device for mounting the crystal holder 3 and the assembly of the electrodes 4, 5 and 6, these arrangements can take any suitable shape. desired level.
On the other hand, it is essential for the emitting electrode 4 that its surface material be gold; this electrode can be formed, as shown in fig. 2, by taking a beveled point wire 7 of any suitable metal, such as tungsten or copper, the surface of which is covered with a layer of gold 8, by plating for example.
It should be understood that the electrodes 4 and 5 may have conical tips, and that any other suitable means may be adopted to ensure the proper spacing between the tips of the two electrodes.
The necessary electro-training treatment, mentioned above, can be carried out by means of the circuit shown in FIG. 3.
In fig. 3, a sawtooth wave generator 10, having a low impedance output circuit and capable of supplying currents up to about 100 milliamps, has one terminal connected to earth, and the other terminal connected to the ground. The emitting electrode 4, through the changeover switch 9. The circuit is completed by two resistors 11 and 12, connecting the collecting electrode 5 to earth, and a switch 13 is provided by means of which the resistor 12 can be switched. short-circuited.
The test device comprises a cathode ray tube 14 of the usual type, of which only the deflection plates are shown. The horizontal deflection plates 15 are connected to electrodes 4 and 5, respectively, and the vertical deflection plates 16 are connected to resistors 11 and 12. It is clear that the horizontal deflection of the cathode ray will be proportional to the vol tage applied between the electrodes. emitter and collector 4 and 5, and that the vertical deflection will be proportional to the current flowing between the two electrodes.
The generator 10 should be set up to produce sawtooth-shaped output voltages positive at the upper terminal relative to the lower terminal, as shown in FIG. 3. The training process consists of two steps which must be performed in the following order. In the first step, the switch 9 is actuated to the right, so that the collecting electrode 5 is made positive with respect to the emitting electrode 4. This is done in order to diffuse a little of the. gold of the emitting electrode 4 in the surface layer of the germanium crystal.
Resistors 1.1 and 12 should be chosen so that normally only a moderate current flows in the training circuit. If the switch 13 is closed, the resistor 12 will be shorted and the current will be increased, and this will cause gold to transport to the germanium surface. A larger current should not flow long enough to cause gold to spill over the collector electrode 5 and an indication that the first stage of processing is complete results from the reverse resistance> measured between the emitting electrode. 4 and base electrode 2 (in the opposite direction to easy current flow), is reduced to about 10,000 ohms.
For the second stage of the treatment, the toggle switch 9 is operated to the left, the switch 13 being first open. Positive voltages are then applied to the emitting electrode 4 instead of being applied to the collecting electrode 5. The direction of the current then corresponds to that of the high resistance of the collecting electrode. It is found that generally the curve drawn on the oscillograph screen is first as shown in fig. 4-by the solid line curves 17, 18. This curve shows the current in the circuit on the ordinate as a function of the generator voltage on the abscissa, during the scanning movement of the sawtooth waves.
A return curve .diffé rent is drawn during the return of the cathode ray, but this is without interest and is not visible because of the rapidity of the return of this spot to zero. It can be seen that the curve 17, 18 presents a loop with a portion 18 having a negative slope, indicating a negative resistance between the electrodes 4 and 5.
Then the switch 13 is momentarily closed, thereby shorting the resistor 12 and greatly increasing the current in the circuit. At the same time, the curve drawn on the tube 14 momentarily collapses downwards, due to the reduction of the vertical scale by the shorting of the resistance.
When switch 13 is opened again, it is usually found that the loop of curve 17 has been reduced, and in some cases it will have completely disappeared, the curve on the screen being then as shown partially by the line. full 17 and partially by the dotted line 19. If the loop does not completely disappear the first time, by repeating the process two or three times, it can be completely removed, so that the characteristic curve follows the uniform dotted portion 19. This is the condition under which we will find that. the crystal triode produces the maximum current gain.
For further details relating to the process forming the second step of the electroforming treatment, reference may be made to British Patent No. 681809.
It should be particularly noted that these two formation processes are performed between the two electrodes 4 and 5 and not between file or the other of the electrodes and the base 3, which remains disconnected in the formation circuit.
It should be added that the use of sawtooth waves is not essential for the formation of crystal triode electrodes; one could also use, for example, rectangular pulses. However, the use of sawtooth waves is very suitable when it is desired to perform the training and the test process in the same circuit.
In the coaxial type of crystal triode shown in fig. 5, a circular germanium disc 20 is mounted in cathode ray tube 21, and the fine wire electrodes 22 and 23, shown with, for example, conical tips, are arranged axially, making contact with the opposing faces of the disc. 20. Heretofore it has been necessary to grind the disc centrally to a thickness of 0.025 to 0.050 mm, so that the necessarily very small space between the electrodes is maintained.
If, however, according to the present invention, the emitting electrode 22 is gold, or gold-plated, the disc 20 may have a thickness of up to about 7 mm, and this will not present any particular difficulty.
It should be understood that the invention also applies to transistors employing a semiconductor. of. type P. In this case, the collecting electrode will preferably contain a small amount of an acceptor type impurity, and the only modification needed is to perform the two training steps using sign forming voltages. opposed to those mentioned above.
Crystal triodes with emitting gold electrodes, used as amplifiers, give a power gain of more than 20 decibels. They also produce a current boost surpassing the 2/1 ratio, that is, the current output from the collector electrode will be more than "twice the input current of the electrode. issuer.
In addition, in this type of crystal triode, the positive feedback from the collector electrode to the emitter electrode which, as is known, occurs in crystal triodes, will be considerably reduced, thus allowing of. Higher stable operating voltages, as well as more intense currents in the circuit of the collecting electrode, leading. thus at a higher output power.