EP0000318A1 - Détecteur de champ magnétique ou électrique, à structure semi-conductrice à effet de champ - Google Patents

Détecteur de champ magnétique ou électrique, à structure semi-conductrice à effet de champ Download PDF

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EP0000318A1
EP0000318A1 EP78430004A EP78430004A EP0000318A1 EP 0000318 A1 EP0000318 A1 EP 0000318A1 EP 78430004 A EP78430004 A EP 78430004A EP 78430004 A EP78430004 A EP 78430004A EP 0000318 A1 EP0000318 A1 EP 0000318A1
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EP
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channel
width
vinhall
carriers
drains
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Albert Watson Vinal
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International Business Machines Corp
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    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device

Definitions

  • the present invention relates to magnetic or electric field detectors and, more particularly, semiconductor detectors of the field effect transistor type,
  • Magnetic field effect transistor (FET) detectors of the prior art call upon the use of the Lorentz effect by virtue of which the carriers which circulate between the source and one or more drains of a FET transistor make the subject to a deviation. This effect creates an imbalance in the drain currents of the transistor so as to obtain a differential output.
  • FET Magnetic field effect transistor
  • a suitable layer acting as a door and an oxide layer serving as an insulator are also formed in such devices in order to control the flow of current in the channel.
  • an appropriate voltage to the door makes it possible to establish an inversion layer serving as a conductive channel.
  • the latter extends between the source and two or three drains.
  • the source is connected to ground and the drains to. a supply voltage via resistive loads which can be of the same value. It is known that, when suitable voltages are applied to the source, to the drain (s) and to the door, a current flows between the source and the drain (s).
  • the noise voltages produced in the load resistors are greater than in the case of a narrow channel device.
  • the levels of the signals obtained may be relatively lower than might be desired compared to the noise levels.
  • the resolution of the device that is to say the narrowest band of the magnetic flux which can be used to deflect the carriers which produce a output signal, will be less.
  • At least one of the drains is of the same type of conductivity as the substrate, but is more heavily doped.
  • the latter device provides current between the source scattering and the junction and appears to function more like a diode.
  • These devices have high sensitivity, relatively large amplitude output signals and excellent signal-to-noise ratios, but are not used as FET transistors. Their action is exerted, it is believed, by accelerating the holes which have been deflected by a magnetic field, and these minority carriers would present a greater sensitivity. Difficulties in controlling avalanche ruptures and the generation of hole-electron pairs in sufficient number to allow the circulation of a current of holes between the source and the drain, may prove insurmountable in certain applications.
  • Coupled load devices which make it possible to control the state of the current flowing in the relatively wide channel of an FET transistor (see in particular the publication entitled “IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 14, No. 11, April 1972, page 3420 and U.S. Patent No. 3,714,523).
  • the device described in this last patent constitutes an extremely sensitive detector of magnetic fields, and uses for this purpose a differential control of the door electrodes coupled from the drains so as to obtain a positive reaction.
  • Coupled load devices of this type also provide amplified output signals. However, given the relatively larger width of these devices and the larger currents flowing through them, a higher noise voltage may be obtained at the output and would then be amplified by the reaction mechanism. The large width of these devices obviously indicates that the depletion regions which are on either side of the canal constitute an insignificant part of the total width of the latter.
  • the present invention aims to remedy the difficulties encountered with the magnetic or electric field detection devices of the prior art, by providing a detector of the type comprising a substrate of semiconductor material in which a source region is formed and at least two separate drain regions and a conduction channel connecting the source region to said drain regions, this detector being characterized in that its conduction channel is in the form of a filament, the ratio between the total width of the channel reduced the sum of the widths of the depletion regions lying along the sides of the canal, on the one hand, and the total width of the canal, on the other hand, having a value greater than 0 and less than 0.98 in the vicinity of said source region.
  • the filament-shaped channel is characterized by a relatively high length / width ratio.
  • a narrow beam of charge carriers can be deviated as much to the right or to the left by means of a mechanism for modulating the width of the depletion regions which constitute a relatively large part. of the total width of the channel.
  • Vinhall width The total width of the channel reduced by twice the width of the depletion zone.
  • Vinhall detector The detector according to the invention will be called here "Vinhall detector".
  • the minimum width of the channel is equal to at least twice the width of the depletion region. This minimum width corresponds to a zero Vinhall width.
  • the length of such a device must be large enough to avoid a short circuit or breakdown in the channel between the source and the drains.
  • the resulting range of length / width ratios which can be defined, corresponds to the creation of conduction channels which are narrower by one to two orders of magnitude (10 to 10 -2 ) than those of the prior art.
  • the detectors according to the invention have a much greater sensitivity and signal / noise ratios than those obtained with the devices of the prior art.
  • FIG. 1 represents a top view of a conductive channel device of the filament type created in a substrate made of semiconductor material or even below the surface thereof.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section, taken along line AA of Figure 1, for the type of channel which can be created by enrichment, that is to say by applying an appropriate voltage to a control door, so inducing the presence of charge carriers in a region of the channel and obtaining conduction on the surface of the substrate.
  • Figures 3A to 3D are top views of two single-source, multi-drain filament-type channel conduction devices, and show the effects of pinching on depletion regions and Vinhall widths.
  • Figure 4 is a sectional view of a deeply implanted or buried conduction channel device of the filament type of the present invention.
  • FIG. 5 represents a variant of the device of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a diagram making it possible to calculate the channel current necessary to obtain conduction in one or other of the modes of operation and embodiment of the present invention.
  • Figures 7A to 7C show the effects of modulating the width of the depletion region on detectors according to the present invention.
  • FIG. 8 is a top view of a small part of a conducting channel and shows a hypothetical spacing of the charge carriers imposed by the limits of the channel.
  • Figure 9 is a graph showing the channel current versus voltage for an FET transistor device and shows the operating regions and their critical points.
  • Figures 10A to 10C respectively represent the space charge region, the electric field and the potential that exist in the PN junction along each side of the conductive channel in devices according to the present invention.
  • FIGS. 11A to the mechanism for modulating the width of the depletion region and the manner in which this modulation causes an effective displacement of the limits of the conductive channel in devices according to the present invention.
  • FIG. 12 represents a typical detector produced in accordance with the invention and shows the depletion regions which it comprises.
  • FIGS. 13A and 13B represent a typical Hall effect device and the position of the depletion regions which it comprises under optimal conditions. These figures also represent the speed gradient of the carriers or the absence thereof and its effect on the operation of the devices.
  • FIGS. 14A and 14B represent typical devices produced in accordance with the invention and respectively show the modulation of the width of the depletion region which occurs with and without increasing the speed of the carriers.
  • FIG. 15A and FIGS. 153 to 15E respectively represent a top view and sections of a typical Vinhall detector produced in accordance with the present invention.
  • the device according to the invention has a conductive channel which, unlike the channels of the devices of the prior art, is made as narrow as possible.
  • the device according to the invention is a distinct type of field detector with deflection of the flow of charge carriers. Its operation is completely different from that of Hall effect devices. Indeed, the Vinhall device according to the invention causes a deviation of the effective limits of the depletion regions which channel the flow of charge carriers, and detects the effects of this deviation at two or more outlet drains.
  • Vinhall device Another characteristic of the Vinhall device resides in the fact that the limits of the flow of charge carriers are varied by modulating the width of the depletion regions of the channel for flows of carriers animated with a constant speed or having a speed gradient.
  • a Hall device produces no output current and, in fact, no current could be obtained at the output terminals of such a device without seriously affecting its operation.
  • obtaining a signal at the output of a Hall effect device requires the existence of a gradient in the speeds of the carriers in its conductive channel. It is this gradient and not the number of carriers that the Hall device uses. To be able to function, a Hall device needs said gradient in order to act on the equipotential lines which are found in the channel and thus induce a potential difference at the output of the device. If an attempt is made to draw a large amount of fuel from the output terminal (s), there is a risk of distorting the configuration of the equipotential lines and, consequently, preventing the device from functioning correctly.
  • the Vinhall device of the present invention works very efficiently without any speed gradient and uses the number and the speed of the carriers which move in the channel. What is more, the speed of the carriers and the Vinhall width are of importance in this latter device only in the region of the channel which is close to the drains.
  • the operation of a Vinhall device is a function of the thickness of the canai of the Vinhall width, as well as of the density per unit volume of the charge carriers which exist in the substrate. and in the channel, which is in opposition to the teachings of the prior art according to which it is necessary to increase and not to decrease the width of the channel in order to avoid the accumulation of charges. It will be seen in what is described below that narrow channels allow better operation to be obtained than wide channels.
  • Block 1 shows a block of semiconductor material 1 which can be silicon, germanium, gallium arsenide or any other material or compound having well known intrinsic semiconductor properties.
  • Block 1 has a certain number of equidistant charge carriers pc distributed along the x, y and z axes. As shown in Figure 6, the width W, the thickness T and length L are measured respectively along the x, z and y axes. No particular significance attaches to the choice of notation used for the purposes of the description below.
  • the block 1 represents a small part of a semiconductor channel which is either implanted or induced in a semiconductor substrate by means of well known techniques.
  • the density of the charge carriers will be defined in terms of volumetric density. Is:
  • the total number of charge carriers, electrons or ions, as they can be variously called, which exist in block 1 of FIG. 6, which constitutes only a small part of the conductive channel in a substrate given, is given by the following relation: However, can be defined as being equal to N D , the ccentration of donors which is the number of ions of charge carriers or electrons per unit of volume inside the block 1 existing in the conductive channel of a substrate.
  • the relation (1) can therefore be written:
  • the density D of the electrons, charge carriers or ions in a segment of the xy plane of Figure 6 existing in a layer of thickness T is defined by the following relationship: hence, by extracting N D :
  • a beam of electric current I B with a width equal to a single electron is defined as the variation load per unit of time, dq / dt. This corresponds to the current taken in one of the axes of FIG. 6 and it will be assumed for the purposes of this description that this current I B exists along the axis y in FIG. 6. Consequently, the current I B can be defined as follows:
  • the current 1 B is equal to the unit charge q of an electron multiplied by the speed V of the charge carrier divided by the spacing d between successive charge carriers.
  • V is the average speed of the carriers along the y axis of Figure 6
  • d is the average spacing between the carriers that constitute the electron beam directed along the y axis of Figure 6.
  • the relation (7) above defines the effective current of a beam with a width of a single electron moving in the y direction.
  • the sheet current I S of a single layer of electrons passing through such a surface can be defined as follows: or
  • the total channel current I C which moves in a direction given in FIG. 6 is equal to the sheet current I S multiplied by the number of electrons or carriers distributed in the z axis over a thickness T to give the current total volumetric.
  • I C N Z I S.
  • the density D of the carriers in a plane section of thickness T has previously been defined as being equal to the volumetric density of the carriers N D multiplied by the thickness of the block, (see relation (3) above). After substitution, relation (9) therefore becomes: This amounts to saying that the total channel current is the product of the density of the carriers by the width of the channel, by the unit charge q and by the speed V of the carriers.
  • V can be expressed assuming that there is a uniform longitudinal electric field in the channel in the direction of movement of the charge carriers. This assumption effectively creates a first order approximation of the effective electric field which exists in the channel in the direction of the movement of the carriers as follows: if the existing electric field is designated E L and the mobility of the carriers p, the speed V is defined as being the product of the electric field E L by mobility p.
  • An approximation of the electric field existing in a conductive channel device of the class described can be obtained, in the case of a semiconductor channel provided with a drain and a source, by dividing the voltage V DS (c ' i.e. the voltage between the drain and the source) by the distance L separating the drain from the source. Therefore: and,
  • FIG. 1 This detector comprises a channel of total length L and total width (in the region where the electron beam is generated) W, and has a source S and at least two drains D 1 and D 2 which exist on the surface of a substrate of semiconductor material or are buried below of it.
  • a typical source 5 which would be connected, for example, to the ground potential is represented at one end of a conductive channel 4 whose width and length have just been described and which ends by at least two mutually exclusive drains 6 (D 1 and D 2 ).
  • the drains 6 are connected to an output circuit via resistors RI and R 2 so as to produce an output voltage V at the terminals 3.
  • the drains 6 are connected to a source of drain voltage V DD and the voltage between the drains 6 and the source 5 which will be called V DS must be maintained at a value lower than that at which an ionization by impact occurs.
  • a metal door or an electrostatic screen 7 shown in dotted lines covers the conductive channel 4. It is known that, in the so-called enrichment mode of operation of field effect semiconductor devices, a door is used for induce a density of charge carriers sufficient to form a conductive channel between the source and the drain (s). In Figure 1, in the case of a calling technology. when using silicon, a potential of around 10 volts, for example, would be used for the purposes of the operation of door 7.
  • the part of the channel 4 which is located near the drains 6 is wider than in the region of the source 5. This is due to the fact that, in the present embodiment, the resolution which the techniques currently obtain used to make a semiconductor channel has been taken to the extreme. Consequently, the width W, although it is not shown to scale in the figure, constitutes the extreme limit of the resolution that the current techniques provide.
  • the width W d of the drains 6 is approximately equal to the width W. Since it is desired that the channel 4 is as narrow as possible, the width of the region of the drains cannot be reduced further since it is found at the limit of resolution. It is therefore necessary to widen the channel 4 in the part of it where it is connected to the drains 6 since it would be physically impossible to connect the latter to the end of a channel of width W.
  • the relations (12A) and (12B) above define the channel current I C in a device of the type represented in FIG. 1. It is known that the latter has a characteristic of channel current such as that represented by the graph of FIG. 9.
  • This graph is representative of field effect transistors in general and presents several well-known features such as the linear region (1 '), the saturation region (2'), the pinch region (3 '), as well as the impact ionization region (4 '). From the pinch, and despite an increase in the voltage between the drain and the source, the current conduction does not increase significantly until impact ionization, avalanche rupture or other phenomena analogues occur at excessively high drain-source voltages V II .
  • the channel current during saturation or pinching where V DS is equal to V SAT is therefore defined as follows: or:
  • L is the total length of the channel between the source 5 and the drains 6.
  • a pinch region can be formed in a conductive channel device and this region pinch will form near the drains, creating an impoverished part of length L D.
  • the effective length of the undepleted part of the canal is therefore reduced to L - L D '
  • V SAT The pinch voltage for a J-FET device, designated V SAT, is expressed in a modified form as follows:
  • e S is the dielectric constant of the semiconductor material used. In the case of silicon, e S is approximately equal to 1.05 x 10 -10 Farads / m.
  • FIG. 12 shows a typical Vinhall detector greatly enlarged (this representation is not to scale).
  • the detector comprises a conductive channel 4 as well as a source 5 and at least two drains 6 arranged, as shown in the figure, at the opposite ends of the channel 4.
  • the latter has a length L and a total width W. It will be assumed that an initial flow or flow of carriers 13, constituting the occurrence by electrons, is injected into the channel 4 and moves directly to the center thereof
  • FIG. 8 is a top view of a part of a channel made of semiconductor material 4.
  • the channel part 4 has a total width W and contains electrons and other carriers having a uniform configuration in which the carriers are separated by an.interval d in the x and y directions.
  • the channel part 4 has been placed on a system of x and y axes so that the y axis is coincident with the axis of symmetry of the channel and the limits of the latter are located on either side. from the y axis at a distance ⁇ W / 2 from it.
  • the Coulomb force between uniformly spaced electrons in the x direction can be defined as follows: where x is the interval between electrons, e S is the dielectric constant of the medium separating the charges and is the unit charge of an electron.
  • This deflection distance ⁇ x corresponds to a Hall voltage which is at least one order of magnitude lower than that actually obtained in the case of a Hall device used under the conditions indicated above.
  • the Lorentz field causes practically no deviation of the charge carriers and no "heaping" or “charged cloud” of electrons can result, even under the most favorable conditions.
  • FIG. 11A a part of the channel 4 which is formed in a semiconductor substrate 1.
  • the latter is of the P type and the channel is of the N type.
  • the source 5 and the drains 6 are not shown. This source and these drains would be of the N + type and produced using well known techniques so as to obtain a device operating in the enrichment mode or in the depletion mode.
  • P-N junctions exist along the limits of the channel, as well as at the source and the drains wherever the N-type material abuts the P-type substrate.
  • FIG. 11A the depletion layers formed inside the channel 4, along the sides of the latter, are shown in dotted lines
  • the width of the depletion zones is identified either by ln L or ln R , respectively for the width of the left layer or that of the right, or simply by ln if the widths of the layers on the left or right are equal.
  • W represents the physical width of the channel.
  • FIGS. 10A, 10B, 10C respectively represent said space charge potential, electric field and voltage.
  • FIGS. 10A to 10C are aligned on a vertical axis designated "metallurgical junction". This junction is also called stochastic limit or part of the PN junction where the concentrations of donors and acceptors are equal.
  • the space charge is represented in the form of a positive charge and a negative charge distributed around the metallurgical junction, the positive charge being in the N-type region and the negative charge in the P-type region. The nature of the distribution of this space charge is not fully understood and is only shown as a rough approximation in Figure 10A. Only observations of a general nature can therefore be made to from this figure.
  • depletion regions of different widths l and l n exist in P-type and N-type materials, respectively, depending on the concentrations of acceptors and donors, respectively.
  • the importance of the space charge in said regions is the product of the density of donors N D by the charge of carriers q or qN D.
  • the density of the acceptors is equal to the product of N A by the electric charge q or qN A.
  • the space charge in the type P region is of plus sign or minus sign
  • that of the type N region is of minus sign or plus sign , respectively.
  • the charge is positive in the N type region and negative in the P type region.
  • the effective width of the conductive part of the channel is equal to the width W minus twice the width of the depletion regions.
  • the width Vinhall W V previously defined can also be written, for a state of rest at a given voltage V and in the case where the widths of the depletion regions are equal:
  • the width of the depletion layer 1 n which is along each side of the channel is a function of a voltage V of modulation of the width of this layer which is applied so external to the junction.
  • This voltage can be created inside the channel as a result of the Lorentz field VB which is formed in a channel of width Vinhall W V.
  • Figure 11A shows the creation and application of the Lorentz voltage V L which acts in the x direction towards the limits of the depletion regions which lie along the sides of the channel.
  • the general definition of the Lorentz voltage V L is given in the form of a curvilinear integral of the Lorentz field taken between PN junctions which form the sides of the channel.
  • the depletion layers 9 are shown in FIG. 11A before the application of a magnetic field perpendicular to the plane of this figure. Therefore, it has been indicated that the magnetic induction B is zero.
  • N D is the concentration of donors in the channel
  • T and the thickness of the channel WT V is the width Vinhall
  • V SAT is the speed of saturation of the carriers and corresponds to 10 'cm / s
  • D is the density integral of the electrons existing in the channel.
  • Expression (40) is formulated in terms of density P and not concentrations of acceptors N A and P and not concentrations of acceptors N A and near drains. This type of noise can be reduced or eliminated by reducing the interval between the drains to a value less than the Vinhall width.
  • the signal / noise ratio is equal to the signal of the Vinhall detector divided by the statistical noise, which gives the statistical noise ratio ⁇ which for the Vinhall device is defined as follows: where the noise voltage E N is equal to: ⁇ f being the bandwidth of the signal in Hertz.
  • FIGS. 13A and 13B schematically represent a typical Hall effect cell.
  • carriers are injected from a source and exit from a drain at the opposite end of the cell.
  • Two outlet probes 12 are arranged between the ends of the cell. Current flows directly in the channel between the source and the drain.
  • the carriers which are injected at the source enter the cell at a speed V 1 and leave at another speed V 2 . There is therefore a speed gradient between the source and the drain of the cell shown in FIG. 13A.
  • FIG. 13B highlights the fact that the operation of the cell depends on a speed gradient.
  • the cell is similar to that of FIG. 13A, but the input and output speeds V 1 and V 2 are equal and have a value V.
  • V the input and output speeds
  • the limits of the channel can be moved due to the modulation of the width of the depletion regions, this movement is carried out parallel to the sides of the channel and there is no rotation of the equipotential lines.
  • the Hall effect cell will therefore not produce an output signal in the case of a constant speed of the carriers in the channel.
  • the Hall effect cell will provide an output under the conditions shown since the equipotential lines between the source and the drain have been rotated by a small angle 8.
  • no output signal will be obtained in the case shown in figure'13B since the speed of the carriers is constant in the channel between the source and the drain. This constant speed results in a simple uniform translation of the limits of the depletion regions along the canal. The equipotential lines are not changed and, therefore, theoretically no output signal should be obtained.
  • the Vinhall device represented in FIG. 14B provides a substantial signal OUTPUT between the separate drains 6. This is due to the fact that the drains D1 and D2 receive a differential current, as previously mentioned, because they intercept almost all of the current flowing in the channel.
  • the output voltage is a function of the speed of the carriers and not of their number.
  • the width l n of the growth regions is modulated at the source of a distance S 1 and at the drains of a distance S 2 and, in general, at any distance Y along the channel of the as indicated by the expressions (47A), (47B) and (48) which respectively define the displacement of the level of the source, the displacement at the level of the drain and the displacement as a function of the distance along the channel: or
  • the small angle ⁇ is the angle whose tangent is equal to
  • This value is equal to the lateral deviation ⁇ at one end of an equipotential line divided by the width W v of the channel, hence: of the first order of the voltage of can consider that, the rotation of the lines being defined by expression (50), the voltage V h will be the proportion of the potential difference V O between the source and the drain which is obtained by shifting the probes by a distance ⁇ , that is to say -say:
  • expression (52) By replacing S, and S 2 by their value in expressions (47) and (47B), expression (52) becomes: of injection V 1 is zero in the two devices, that the ultimate speed of the carriers is the maximum speed V 2 corresponding to a pinch, and that a linear increase in speed occurs at the bottom of the distance Y in the channel in heading towards the drains.
  • the output voltage becomes:
  • the sensitivity ⁇ V of the Vinhall device is determined by imagining that the drain represented in FIG. 13A actually consists of two drains separated by an interval 8 as in FIG. 12.
  • the sensitivity ratio R which is defined below makes it possible to compare the output of the Vinhall device with that of the Hall device and is obtained by dividing the relation (56) by the relation (55), which gives:
  • This criterion specifies that the ratio of the length L of the channel to the width Vinhall W V is a function of the charge resistance, the density of the electrons, the charge and the mobility of the carriers which are in the channel.
  • FIG. 2 being a longitudinal section of the device shown in FIG. 1 and comprising a semiconductor metal substrate 1 in which a source 5 and one or more drains 6 are implanted or diffused.
  • the surface of the substrate, in particular near the channel 1 is conventionally covered with a thin insulating layer of oxide 2, and with a layer of aluminum or other conductive material deposited by evaporation or other suitable technique and constituting a door 7 to which appropriate control voltages can be applied.
  • This assembly constitutes a field effect transistor in which, when appropriate voltages are applied to the gate 7, to the source 5 and to the drains 6, a conductive channel 4 of carriers called “inversion layer" is formed between the source and drains.
  • inversion layer of carriers of the effect of creating an effective density of the carriers which can be defined by means of the same terms as those previously used in the case of an implanted channel device in which the carriers or the ions necessary to form the channel are implanted below the surface of the substrate. It can be demonstrated that the output signal of a device operating in the enrichment mode in which the carriers form a conductive channel is a linear function of the voltage applied to the door and that such a device is less sensitive than a channel device buried (operating in depletion mode).
  • the loss of sensitivity and amplitude of the output signal is the result of the thin thickness T of the channel and of a high concentration of donors N in it. This concentration has the effect of reducing the importance of the modulation of the width of the depletion regions which can be obtained for a given Lorentz field.
  • FIG. 4 represents a longitudinal section of a typical semiconductor substrate 1 comprising a channel 4 buried below the surface of the substrate and having the following characteristics:
  • Channel 4 is created by implanting phosphorus, for example, so that a deep and uniform concentration of carriers is obtained below the surface of the substrate to a depth of about 4000 A or more.
  • the density of the carriers that it is desired to obtain is approximately 2 ⁇ 10 12 ions / cm 2 during implantation. It is particularly desirable that this implantation is carried out in successive stages using energies varying between 50 and 200 KeV.
  • a deep channel having a thickness T of the order 0 of 4000 A is therefore obtained from a region situated at approximately 500 ⁇ below the surface of the substrate.
  • Such a channel makes it possible to obtain the necessary channel current while making possible a substantial modulation of the width of the depletion regions arranged along its sides.
  • the control door 7 acts as an electric screen serving
  • FIG. 5 represents a variant of the embodiment of FIG. 4 in which the metal control door 7 has been completely omitted and which comprises an opaque insulating layer 16 disposed above the upper surface.
  • the object of the opaque layer 16 is to prevent light from entering the semiconductor substrate and to cause noise as a result of the light emitted by the electrons contained in the channel.
  • Figures 3C, 3D and 7A to 7C show Vinhall flared channel detectors.
  • This flare is due to several reasons. First of all, as already mentioned, the width of the rectilinear part of the channel which is close to the source controls the channel current flowing through the device. This current is virtually independent of what happens downstream, in the flared part of the channel which is closer to the drains. This makes it possible to minimize the noise due to the injection of the source and to the effects of the modulation of the length of the depletion region near the drains, and to increase the stability of the device.
  • the flared Vinhall width W Vf desired near the drains is a function of the width of the slot 8 which, in FIG. 3D, separates the drains.
  • the flared Vinhall width which is designated W Vf must be at least equal to the width of the slot 8.
  • the most sensitive part of the Vinhall device is located near the drains and is the only region that requires a magnetic field to modulate the limits of the depletion regions.
  • This characteristic of the Vinhall detector explains not only its high resolution, but also its high sensitivity.
  • The. Vinhall detector therefore acts essentially as a point detector. It is preferable, but not essential, that the Vinhall device be used in the pinch mode. Such a situation is shown in Figures 7A to 7C and in Figure 3D.
  • drains 6 are separated by a small distance so as to obtain an optimum sensitivity Vinhall device.
  • Special manufacturing techniques can be used for this purpose.
  • One of these techniques consists in implanting the two drains 6 as close to one another as the photolithographic masking techniques allow, then in carrying out an annealing operation which limits the migration of the ions which occurs to a annealing temperature close to the diffusion temperature. This temperature is around 1000 ° C in the case of silicon, but varies with different materials.
  • the result of a hundred operation is the obtaining of a separation whose width is less than the minimum width of the mask which is made possible by the photographic technique employed.
  • a second method of achieving a tighter separation is to initially implant an unbroken drain region and then form a separation using a technique high drain voltages.
  • the width of the depletion layer near the source of a Vinhall device (width for which the term V in expression (25) is 0 zero) is approximately 510 A.
  • the total width of the depleted region is equal to twice this value, that is to say approximately 1000 ⁇ , and, in the most unfavorable case, that is to say a Vinhall device with a wide channel, with 0 a channel width of 50,000 A, the ratio W v divided by W is equal to 0.98. If a more appropriate total channel width of 25,000 A is chosen, this ratio becomes 0.96.
  • the ratio of the Vinhall width to the width of the channel is approximately 0.999 close to the source. Extending or extending the Hall device would only have other results than making the value of this ratio closer to unity since the width of the depletion regions defined by expression (25) is not a function the width of the channel.
  • the above ratio is close to 0.998 near the source.
  • the drains of the device would be as small as possible, that is to say that they would have a width of approximately 0.051mm, and that the width of the source, as this one is represented in said publication , would have a width of about 0.203mm compared to the drains.

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Abstract

- Detection de champs magnétiques ou électriques au moyen de détecteurs semi-conducteurs à effet de champ. - Le fonctionnement des détecteurs selon l'invention est basé sur la modulation des limites des régions d'appauvrissement délimitant le canal de conduction (4) qui relie une source (5) à des drains (6) formés dans un substrat semi-conducteur (1). Un signal de sortie accru est obtenu en réduisant la largeur (W) du canal (4), afin d'éliminer les porteurs de charge en excès que l'on trouve normalement dans les dispositifs à canaux larges et en prévoyant des zones d'appauvrissement constituant une fraction importante de la largeur (W). Le rapport entre la largeur non appauvrie (Wv) et la largeur (W) est choisi entre 0 et 0,98. - Détecteurs applicables notamment à la lecture de bandes magnétiques.

Description

    Domaine technique de l'invention
  • La présente invention concerne les détecteurs de champs magnétiques ou électriques et, plus particulièrement, les détecteurs semi-conducteurs du type à transistor à effet de champ,
    • Etat de la technique antérieure
  • Les détecteurs magnétiques à transistor à effet de champ (FET) de l'art antérieur font appel à l'emploi de l'effet Lorentz en vertu duquel les porteurs qui circulent entre la source et un ou plusieurs drains d'un transistor FET font l'objet d'une déviation. Cet effet permet de créer un déséquilibre dans les courants de drain du transistor de manière à obtenir une sortie différentielle. A cet égard, on se reportera, par exemple, à la publication intitulée "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 13, No.12, mai 1971, page 3633, ou au brevet britannique No. 1 243 178 qui décrit un détecteur magnétique comportant un transistor FET dont le canal est pourvu à ses extrémités opposées d'une source et de deux ou trois drains. Ainsi que le comprendra l'homme de l'art, une couche convenable faisant fonction de porte et une couche d'oxyde servant d'isolant sont également formées dans de tels dispositifs afin de commander la circulation du courant dans ie canal. Dans le brevet britannique précité, l'application d'une tension appropriée à la porte permet d'établir une couche d'inversion servant de canal conducteur. Ce dernier s'étend entre la source et deux ou trois drains. La source est reliée à la masse et les drains à. une tension d'alimentation par l'intermédiaire de charges résistives qui peuvent être de même valeur. On sait que, lorsque des tensions convenables sont appliquées à la source, au(x) drain(s) et à la porte, un courant circule entre la source et le ou les drain(s). On a pensé que ce courant pouvait faire l'objet d'une déviation par suite de l'effet Lorentz résultant de la présence d'un champ magnétique dans la trajectoire des porteurs de charge et que cela provoquait une accumulation des charges sur un côté du canal et un appauvrissement des charges sur le côté opposé jusqu'à ce que le champ électrique créé par le déplacement des charges ait appliqué aux porteurs de charge une force égale à celle résultant du champ magnétique et opposée à celle-ci.
  • Ce phénomène classique en vertu duquel une accumulation des charges se produirait dans le canal pour contrebalancer la déviation des porteurs de charge, s'est traduit par l'emploi de canaux relativement larges dans les dispositifs à transistors FET afin que les porteurs de charge puissent faire l'objet d'une déviation sans qu'il en résulte pour autant une inter-action (ou une "accumulation des charges") importante. Il est évident qu'un canal large permet la circulation de courants relativement plus importants qu'un canal étroit. Dans le mode différentiel, un petit nombre seulement de porteurs de charge (ceux qui se trouvent à proximité du centre du canal) sont efferctivdement dévies de marnière à frapper un drain particulier plutôt qu'un autre. La majorité des porteurs qui se trouvent dans un canal large s'ajoutent par conséquent au courant obtenu aux drains sans subir l'effet Lorentz. De ce fait, les tensions de bruit produites dans les résistances de charge sont plus importantes que dans le cas d'un dispositif à canal étroit. D'autre part, étant donné qu'un petit nombre seulement de porteurs peut être dévié de manière à produire un signal, les niveaux des signaux obtenus risquent d'être relativement plus faibles qu'on pourrait le désirer par rapport aux niveaux de bruit. Par ailleurs, du fait de la largeur relativement plus grande que présente un canal de ce type, la résolution du dispositif, c'est-à-dire la bande la plus étroite du flux magnétique qui peut être utilisée pour dévier les porteurs qui produisent un signal de sortie, sera moins grande.
  • Le fait que l'on utilise des canaux larges, c'est-à-dire des canaux dont la largeur est supérieure à celle de la plus petite source ou du plus petit drain, indique que l'on n'a pas tenu compte dans l'art antérieur de la largeur des régions d'appauvrissement qui se trouvent le long des limites du canal. En effet, ces régions constituent une partie insignifiante de la largeur du canal dans de tels dispositifs.
  • Des agencements classiques d'un type légèrement différent utilisent des dispositifs bipolaires ou à jonction dans lesquels la source et le ou les drains se composent de matériaux de conductivités différentes qui sont enterrés dans un substrat semi-conducteur. De tels dispositifs sont décrits par exemple dans les brevets des E.U.A. Nos. 3 167 663, 3 714 559, 3 731 123 et 3 829 883. L'un des problèmes qui se posent en pareil cas réside dans la difficulté que présente l'obtention d'une sensibilité élevée et de signaux de sortie d'amplitude suffisamment grande avec des rapports signal/bruit acceptables en travaillant dans des largeurs de bande suffisantes. Dans les brevets précités Nos. 3 714 559 et 3 829 883 on a décrit un détecteur de champ magnétique à transistor FET à drains multiples dont le fonctionnement est tel que la porte soit polarisée à une valeur inférieure au seuil du transistor et que le premier drain soit polarisé de manière à produire une rupture par avalanche (ce qui constitue une source importante de bruit dans les transistors FET) de la jonction avec le substrat, le second et le troisième drains étant polarisés à une tension inférieure à celle qui est nécessaire pour obtenir une rupture par avalanche de leurs jonctions. Dans ce mode de fonctionnement, le canal du transistor FET n'est pas effectivement rendu conducteur, si bien qu'il n'y a pas lieu d'employer de transistors FET dans ce type de dispositif puisqu'aucun "canal" n'existe. Dans ces mêmes brevets et selon un autre mode de réalisation, l'un au moins des drains est du même type de conductivité que le substrat, mais est plus fortement dopé. Ce dernier dispositif permet d'obtenir un courant entre la diffusion de source et la jonction et fonctionne en apparence davantage comme une diode. Ces dispositifs présentent une sensibilité élevée, des signaux de sortie d'amplitude relativement grande et des rapports signal/bruit excellents, mais ne sont pas utilisés en tant que transistors FET. Leur action s'exerce, croit- on, en accélérant les trous qui ont été déviés par un champ magnétique, et ces porteurs minoritaires présenteraient une plus grande sensibilité. Les difficultés que présentent le contrôle des ruptures par avalanche et la génération de paires trou-électron en nombre suffisant pour permettre la circulation d'un courant de trous entre la source et le drain, peuvent se révéler insurmontables dans certaines applications.
  • Les brevets des E.U.A. précités Nos. 3 167 663 et 3 731 123 décrivent d'autres détecteurs de chmp magnétique du type à jonction P-N (bipolaire) fonctionnant essentiellement comme des diodes, dans lesquelles la circulation du courant peut être modifiée ou dirigée au moyen de champs magnétiques externes. Ces dispositifs fonctionneraient dans la région de circulation d'un courant important dans laquelle les porteurs injectés sont déviés par l'effet Lorentz de telle sorte que l'on obtienne un déplacement latéral des porteurs et un signal de sortie différentiel entre deux drains ou davantage à jonction P-N. Ces dispositifs possèdent des courants intrinsèques plus élevés et, bien qu'ils puissent être sensibles aux champs magnétiques, présentent une sensibilité plus grande aux courants de bruit.
  • Le brevet des E.U.A. No. 3 593 045 décrit un dispositif de type analogue dans lequel un faisceau d'électrons injectés créé à une jonction P-N dans un dispositif semi-conducteur serait dévié vers une ou plusieurs cibles par des champs électriques ou magnétiques. Ce dispositif n'est pas employé en tant que transistor FET et exige, comme il est dit dans ce brevet, des courants de commande et de polarisation relativement élevés, de l'ordre de 200 volts, ce qui empêche son utilisation dans des circuits intégrés à effet de champ.
  • Il existe par ailleurs des dispositifs à effet Hall qui n'utilisent pas directement la déviation des por-
  • teurs, mais qui tirent parti de la tension résiduelle due à la déflexion, créée par l'effet Lorentz, de lignes équipotentielles des porteurs transversalement aux connexions d'entrée et de sortie. De tels dispositifs sont décrits en particulier dans le brevet des E.U.A. No. 3 448 353. Ils présentent en général de faibles rapports longueur/largeur (inférieurs à trois à un environ) et fonctionnent dans des conditions optimum lorsque leur longueur est égale à leur largeur. Il est également bien connu que, dans ces dispositifs à effet Hall, le signal de sortie est proportionnel à la vitesse des porteurs et non au nombre de ceux-ci. Etant donné qu'il ne s'agit pas en l'occurrence de dispositifs à transistors FET dont le fonctionnement est tel qu'un faisceau de porteurs soit dévié et qu'un signal de sortie différentiel soit obtenu aux drains, seule une tension de sortie peut être employée d'un côté ou de l'autre du canal. Il est préférable qu'un courant de signal effectif soit obtenu à l'un ou l'autre des drains comme dans le cas du dispositif décrit dans le brevet britannique précité.
  • Il existe également dans l'art antérieur des dispositifs à charge couplée qui permettent de commander l'état du courant circulant dans le canal relativement large d'un transistor FET (voir notamment la publication intitulée "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 14, No.ll, avril 1972, page 3420 et le brevet des E.U.A. No. 3 714 523). Le dispositif décrit dans ce dernier brevet constitue un détecteur extrêmement sensible de champs magnétiques, et utilise à cette fin un contrôle différentiel des électrodes de porte couplées depuis les drains de manière à obtenir une réaction positive. Les dispositifs à charge couplée de ce type permettent également d'obtenir des signaux de sortie amplifiés. Toutefois, compte tenu de la largeur relativement plus importante de ces dispositifs et des courants plus importants qui les traversent, une tension de bruit plus élevée risque d'être obtenue en sortie et serait alors amplifiée par le mécanisme de réaction. La grande largeur de ces dispositifs indique évidemment que les régions d'appauvrissement qui se trouvent de part et d'autre du canal constituent une partie insignifiante de la largeur totale de ce dernier.
    • Exposé de l'invention
  • La présente invention a pour but de remédier aux difficultés rencontrées avec les dispositifs de détection de champs magnétiques ou électriques de l'art antérieur, en fournissant un détecteur du type comportant un substrat de matériau semi-conducteur dans lequel sont formés une région de source et au moins deux régions de drains distinctes ainsi qu'un canal de conduction reliant la région de source auxdites régions de drains, ce détecteur étant caractérisé en ce que son canal de conduction est en forme de filament, le rapport entre la largeur totale du canal diminuée de la somme des largeurs des régions d'appauvrissement se trouvant le long des côtés du canal, d'une part, et la largeur totale du canal, d'autre part, ayant une valeur supérieure à 0 et inférieure à 0,98 au voisinage de ladite région de source.
  • Le canal en forme de filament est caractérisé par un rapport longueur/largeur relativement élevé. Dans ce canal, un faisceau étroit de porteurs de charge peut faire l'objet d'une déviation maximale vers la droite ou vers la gauche au moyen d'un mécanisme de modulation de la largeur des régions d'appauvrissement qui constituent une partie relativement importante de la largeur totale du canal.
  • La largeur totale du canal diminuée de deux fois la largeur de la zone d'appauvrissement sera appelée ici "largeur Vinhall".
  • Le détecteur selon l'invention sera appelé ici "détecteur Vinhall". Dans un tel détecteur la largeur minimum du canal est égale à deux fois au moins la largeur de la région d'appauvrissement. Cette largeur minimum correspond à une largeur Vinhall nulle.
  • La longueur d'un tel dispositif doit être suffisamment grande pour permettre d'éviter un court-circuit ou un claquage dans le canal entre la source et les drains.
  • La plage résultante de rapports longueur/largeur qui peut être définie, correspond à la création de canaux de conduction qui sont plus étroits d'un à deux ordres de grandeur (10 à 10-2) que ceux de l'art antérieur. Les détecteurs selon l'invention, présentent une sensibilité et des rapports signal/bruit beaucoup plus grands que ceux obtenus avec les dispositifs de l'art antérieur.
    • Description des figures des dessins
  • La figure 1 représente une vue de dessus d'un dispositif à canal conducteur du type filament créé dans un substrat en matériau semi-conducteur ou même au-dessous de la surface de celui-ci.
  • La figure 2 représente une coupe longitudinale, prise selon la ligne A-A de la figure 1, pour le type de canal qui peut être créé par enrichissement, c'est-à-dire en appliquant une tension appropriée à une porte de commande, de manière à induire la présence de porteurs de charge dans une région du canal et d'obtenir une conduction à la surface du substrat. Les figures 3A à 3D sont des vues de dessus de deux dispositifs à conduction de canal du type filament à source unique et à drains multiples, et montrent les effets du pincement sur les régions d'appauvrissement et sur les largeurs Vinhall.
  • La figure 4 est une vue en coupe d'un dispositif à canal de conduction profondément implanté ou enterré du type filament de la présente invention.
  • La figure 5 représente une variante du dispositif de la figure 4.
  • La figure 6 est un schéma permettant de calculer le courant de canal nécessaire pour obtenir une conduction dans l'un ou l'autre des modes de fonctionnement et de réalisation de la présente invention.
  • Les figures 7A à 7C montrent les effets d'une modulation de la largeur de la région d'appauvrissement sur des détecteurs conformes à la présente invention.
  • La figure 8 est une vue de dessus d'une petite partie d'un canal conducteur et montre un espacement hypothétique des porteurs de charge imposé par les limites du-canal.
  • La figure 9 est un graphique représentant le courant de canal en fonction de la tension pour un dispositif à transistors FET et montre les régions de fonctionnement et leurs points critiques.
  • Les figures 10A à 10C représentent respectivement la région de charge d'espace, le champ électrique et le potentiel qui existent dans la jonction PN le long de chaque côté du canal conducteur dans des dispositifs conformes à la présente invention.
  • Les figures llA à le mécanisme de modulation de lalargeur de la région d'appauvrissement et la façon dont cette modulation provoque un déplacement effectif des limites du canal conducteur dans des dispositifs conformes à la présente invention.
  • La figure 12 représente un détecteur typique réalisé conformément à l'invention et montre les régions d'appauvrissement qu'il comporte.
  • Les figures 13A et 13B représentent un dispositif typique à effet Hall et la position des régions d'appauvrissement qu'il comporte dans des conditions optimales. Ces figures représentent également le gradient de vitesse des porteurs ou l'absence de celui-ci et son effet sur le fonctionnement des dispositifs.
  • Les figures 14A et 14B représentent des dispositifs typiques réalisés conformément à l'invention et montrent respectivement la modulation de la largeur de la région d'appauvrissement qui se produit avec et sans grandient de vitesse des porteurs.
  • La figure 15A et les figures 153 à 15E représentent respectivement une vue de dessus et des coupes d'un détecteur Vinhall typique réalisé conformément à la présente invention.
    • Description de modes de réalisation de l'invention
  • Le principe de fonctionnement des dispositifs de la présente invention et les caractéristiques qui les distinguent des dispositifs de l'art antérieur sont décrits ci-après. Il est cependant nécessaire de formuler quelques remarques préliminaires. Tout d'abord, le dispositif selon l'invention possède un canal conducteur qui, contrairement aux canaux des dispositifs de l'art antérieur, est rendu aussi étroit que possible.
  • Deuxièmement, le dispositif selon l'invention est un type distinct de détecteur de champs à déviation de l'écoulement des porteurs de charge. Son fonctionnement est complètement différent de celui des dispositifs à effet Hall. En effet, le dispositif Vinhall selon l'invention provoque une déviation des limites effectives des régions d'appauvrissement qui canalisent l'écoulement des porteurs de charge, et détecte les effets de cette déviation au niveau de deux drains de sortie ou davantage.
  • Une autre caractéristique du dispositif Vinhall réside dans le fait que l'on fait varier les limites de l'écoulement des porteurs de charge en modulant la largeur des régions d'appauvrissement du canal pour des écoulements de porteurs animés d'une vitesse contante ou présentant un gradient de vitesse. En revanche, un dispositif Hall ne produit aucun courant de sortie et, en fait, aucun courant ne pourrait être obtenu aux bornes de sortie d'un tel dispositif sans nuire gravement à son fonctionnement.
  • Ainsi qu'on le verra plus loin, l'obtention d'un signal a la sortie d'un dispositif à effet Hall nécessite l'existence d'un gradient des vitesses des porteurs dans son canal conducteur. C'est ce gradient et non le nombre de porteurs que le dispositif Hall utilise. Pour pouvoir fonctionner, un dispositif Hall a besoin dudit gradient afin d'agir sur les lignes équipotentielles qui se trouvent dans le canal et ainsi induire une différence de potentiel à la sortie du dispositif. Si l'on cherche à tirer un ccurant important de la ou des bornes de sortie, on risque de déformer la configuration des lignes équipotentielles et , par conséquent, d'empêcher le dispositif de fonctionner correctement. En revanche, le dispositif Vinhall de la présente invention fonctionne très efficacement sans aucun gradient de vitesse et fait appel au nombre et à la vitesse des porteurs qui se déplacent dans le canal. Qui plus est, la vitesse des porteurs et la largeur Vinhall ne présentent d'importance dans ce dernier dispositif que dans la région du canal qui se trouve à proximité des drains.
  • Troisièmement, on verra que, ce qui est plus important, le fonctionnement d'un dispositif Vinhall est fonction de l'épaisseur du canai de la largeur Vinhall, ainsi que de la densité par unité de volume des porteurs de charge qui existent dans le substrat et dans le canal, ce qui est en opposition avec les enseignements de l'art antérieur selon lesquels il convient d'augmenter et non de diminuer la largeur du canal afin déviter l'accumulation des charges. On verra dans ce qui est décrit ci-après que des canaux étroits permetent d'obtenir un meilleur fonctionnement que des canaux larges.
  • On se reportera à présent à la figure 6 qui représente un bloc de matériau semi-conducteur 1 qui peut être en silicium, en germanium, en arseniure de gallium ou en tout autre matériau ou composé présentant des propriétés semi-conductrices intrinsèques bien connues. Le bloc 1 comporte un certain nombre ce porteurs de charge pc équidistants et répartis le long des axes x, y et z. Comme le montre le figure 6, la largeur W, l'épaisseur T et la longueur L sont respectivement mesurées le long des axes x, z et y. Aucune signification particulière ne s'attache au choix de la notation employée aux fins de l'exposé ci-dessous.
  • Pour analyser un dispositif Vinhall, il est nécessaire d'établir les formules donnant le courant de canal, la sortie du détecteur ainsi que des rapports signal/bruit pour un tel dispositif, de manière à permettre une comparaison avec les dispositifs Hall.
  • On rappellera tout d'abord certains principes de physique nécessaires à la compréhension de l'invention. On désire ici définir la densité des électrons ou des porteurs de charge que comporte le bloc. Sur la figure 6, le bloc 1 représente une faible partie d'un canal semi-conducteur qui est soit implanté, soit induit dans un substrat semi-conducteur au moyen de techniques bien connues. La densité des porteurs de charge sera définie en termes de densité volumétrique. Soit:
    Figure imgb0001
  • On peut supposer qu'il existe un intervalle moyen entre les porteurs de charge, les électrons ou les ions contenus dans le bloc 1 dans n'importe quelle direction et que cet intervalle est égal à une distance définie comme étant la distance d.
  • Le nombre total de porteurs de charge, d'électrons ou d'ions, ainsi qu'ils peuvent être diversement appelés, qui existent dans le bloc 1 de la figure 6, lequel ne constitue qu'une faible partie du canal conducteur dans un substrat donné, est donné par la relation suivante:
    Figure imgb0002
    Or, peut être défini comme étant égal à ND, la ccncentration de donneurs qui est le nombre d'ions de porteurs de charge ou d'électrons par unité de volume à l'intérieur du bloc 1 existant dans le canal conducteur d'un substrat. La relation (1) peut donc s'écrire:
  • Figure imgb0003
    La densité D des électrons, des porteurs de charge ou des ions dans un segment du plan x-y de la figure 6 existant dans une couche d'épaisseur T est définie par la relation suivante:
    Figure imgb0004
    d'où, en extrayant ND:
    Figure imgb0005
  • On déterminera ensuite le courant de canal IC qui traverse le bloc 1 de la figure 6.
  • Un faisceau de courant électrique IB d'une largeur égale à un seul électron est défini comme étant la variation de charge par unité de temps, dq/dt. Cela correspond au courant pris dans l'un des axes de la figure 6 et l'on supposera pour les besoins de la présente description que ce courant IB existe le long de l'axe y sur la figure 6. En conséquence, le courant IB peut être défini comme suit:
    Figure imgb0006
  • Cela peut également s'exprimer sous une autre forme, à savoir: le courant 1B est égal à la charge unitaire q d'un électron multipliée par la vitesse V du porteur de charge divisée par l'espacement d entre porteurs de charge successifs. En effet on a:
    Figure imgb0007
  • Donc:
    Figure imgb0008
    où V est la vitesse moyenne des porteurs le long de l'axe y de la figure 6 et d est l'espacement moyen entre les porteurs qui constituent le faisceau d'électrons dirigé le long de l'axe y de la figure 6. La relation (7) ci-dessus définit le courant effectif d'un faisceau d'une largeur d'un seul électron se déplaçant dans la direction y. Pour étendre ce faisceau à une feuille de courant dans toute la largeur du bloc selon l'axe x de la figure 6, on peut définir comme suit le courant de feuille IS d'une unique couche d'électrons traversant une telle surface:
    Figure imgb0009
    ou
    Figure imgb0010
  • Cela équivaut à dire qu'une feuille de courant se déplaçant dans la direction y est égale au courant IB multiplié par le nombre d'électrons répartis le long de l'axe x et se déplaçant dans la direction y dans cette feuille, soit W divisé par l'espacement d entré électrons.
  • Le courant de canal total IC qui se déplace dans une direction donnée sur la figure 6 est égal au courant de feuille IS multiplié par le nombre d'électrons ou de porteurs distribués dans l'axe z sur une épaisseur T pour donner le courant volumétrique total. Pour un courant de canal se déplaçant le long de l'axe y sur la figure 6, on a IC = NZ IS.T En remplaçant, dans cette dernière expression NZ par d et IS par sa valeur donnée par l'expression (8) on obtient:
    Figure imgb0011
    Puisque = ND on obtient:
    Figure imgb0012
    où T est l'épaisseur du canal dans l'axe z.
  • On a précédemment défini la densité D des porteurs dans une section plane d'épaisseur T comme étant égale à la densité volumétrique des porteurs ND multipliée par l'épaisseur du bloc, (voir relation (3) ci-dessus). Après substitution, la relation (9) devient donc:
    Figure imgb0013
     Cela revient à dire que le courant de canal total est au produit de la densité des porteurs par la largeur du canal, par la charge unitaire q et par la vitesse V des porteurs.
  • Le terme V peut être exprimé en supposant qu'il existe dans le canal un champ électrique longitudinal uniforme dans le sens du déplacement des porteurs de charge. Cette supposition créée effectivement une approximation du premier ordre du champ électrique effectif qui existe dans le canal dans le sens du déplacement des porteurs comme suit: si le champ électrique existant est désigné EL et la mobilité des porteurs p, la vitesse V est définie comme étant le produit du champ électrique EL par la mobilité p. Une approximation du champ électrique existant dans un dispositif à canal conducteur de la classe décrite peut être obtenue, dans le cas d'un canal semi-conducteur pourvu d'un drain et d'une source, en divisant la tension VDS (c'est-à-dire la tension entre le drain et la source) par la distance L séparant le drain de la source. Par conséquent:
    Figure imgb0014
    et,
    Figure imgb0015
  • Les principes rappelés ci-dessus vont à présent être appliqués à un détecteur Vinhall typique dont une vue de dessus est représentée sur la figure 1. Ce détecteur comporte un canal de longueur totale L et de largeur totale (dans la région où le faisceau électronique est engendré) W, et possède une source S et au moins deux drains D1 et D2 qui existent à la surface d'un substrat en matériau semi-conducteur ou sont enterrés au-dessous de celle-ci. Sur la figure 1, une source typique 5 qui serait connectée, par exemple, au potentiel de la masse est représentée à l'une des extrémités d'un canal conducteur 4 dont la largeur et la longueur viennent d'être décrites et qui se termine par au moins deux drains mutuellement exclusifs 6 (D1 et D2). Les drains 6 sont connectés à un circuit de sortie par l'intermédiaire de résistances RI et R2 de manière à produire une tension de sortie V aux bornes 3. Les drains 6 sont connectés à une source de tension de drain VDD et la tension entre les drains 6 et la source 5 que l'on appellera VDS doit être maintenue à une valeur inférieure à celle à laquelle une ionisation par impact se produit.
  • Sur la figure 1, une porte métallique ou un écran électrostatique 7 représenté en pointillé recouvre le canal conducteur 4. On sait que, dans le mode de fonctionnement dit d'enrichissement des dispositifs semi-conducteurs à effet de champ, une porte est employée pour induire une densité des porteurs de charge suffisante pour former un canal conducteur entre la source et le ou les drains. Sur la figure 1, dans le cas d'une technologie faisant appel. à l'emploi de silicium, un potentiel d'environ 10 volts, par exemple, serait utilisé aux fins du fonctionnement de la porte 7.
  • On notera que la partie du canal 4 qui se trouve à proximité des drains 6 est plus large que dans la région de la source 5. Cela est dû au fait que, dans la présente réalisation, la résolution que permettent d'obtenir les techniques actuellement employées pour réaliser un canal semi-conducteur a été poussée à l'extrême. En conséquence, la largeur W, bien qu'elle ne soit pas représentée à l'échelle sur la figure, constitue la limite extrême de la résolution que les techniques actuelles permettent d'obtenir. La largeur Wd des drains 6 est approximativement égale à la largeur W. Etant donné que l'on désire que le canal 4 soit aussi étroit que possible, la largeur de la région des drains ne peut être réduite davantage étant donné qu'elle se trouve à la limite de la résolution. Il convient donc d'élargir le canal 4 dans la partie de celui-ci où il est relié aux drains 6 puisqu'il serait physiquement impossible de relier ces derniers à l'extrémité d'un canal de largeur W.
  • Ainsi qu'on le verra plus loin, d'autres raisons justifient l'élargissement du canal 4 à proximité des drains 6, mais on notera dès à présent que l'on désire que le canal 4 soit aussi étroit que possible et que les drains 6 soient aussi étroits que celui-ci et lui soient connectés de façon indépendante de telle sorte qu'ils soient séparés par une distance minimum 8. Etant donné que les techniques actuelles limitent la largeur du canal à une valeur W, la distance 8 qui peut être commandée avec précision sera aussi égale à W, bien qu'il existe des techniques permettant, ainsi qu'on le verra plus loin, de réduire cette distance. Cet évasement du canal 4 constitue également une configuration particulièrement souhaitable puisqu' elle permet de diminuer le bruit, d'augmenter la sensibilité et de supprimer d'autres problèmes potentiels comme on le verra plus loin.
  • On étudiera à présent les conditions et les caractéristiques de fonctionnement d'un dispositif du type représenté sur la figure 1.
  • En combinant les relations (3), (9) et (11), on obtient les relations suivantes qui définissent le courant de canal:
    Figure imgb0016
    ou
    Figure imgb0017
  • Les relations (12A) et (12B) ci-dessus définissent le courant de canal IC dans un dispositif du type représenté sur la figure 1. On sait que ce dernier présente une caractéristique de courant de canal telle que celle représentée par le graphique de la figure 9. Ce graphique est représentatif des transistors à effet de champ en général et présente plusieurs particularités bien connues telles que la région linéaire (1'), la région de saturation (2'), la région de pincement (3'), ainsi que la région d'ionisation par impact (4'). A partir du pincement, et malgré une augmentation de la tension entre le drain et la source, la conduction de courant n'augmente pas de façon importante jusqu'à ce que l'ionisation par impact, la rupture par avalanche ou d'autres phénomènes analogues se produisent à des tensions drain-source excessivement élevées VII. Le courant de canal lors de la saturation ou du pincement où VDS est égale à VSAT est donc défini comme suit:
    Figure imgb0018
    ou encore:
    Figure imgb0019
  • Dans le cas des tensions drain-source qui, dans un
    Figure imgb0020
    supérieures à la tension de pincement mais
    Figure imgb0021
    ures à la tension d'ionisation par impact, les équations de courant de canal sont les suivantes:
    Figure imgb0022
    Figure imgb0023
  • Dans les équations ci-dessus, L est la longueur totale du canal entre la source 5 et les drains 6. Comme le comprendra l'homme de l'art, une région de pincement peut être formée dans un dispositif à canal conducteur et cette région de pincement se formera à proximité des drains, créant ainsi une partie appauvrie de longueur LD. La longueur effective de la partie non appauvrie du canal est donc ramenée à L - LD'
  • Le détermination du courant de canal dans.un dispositif à effet de champ ou dans un dispositif à canal conducteur est décrite dans la demande de brevet No. 77 16788 déposée en France par la demanderesse le 25 mai 1977 et rendue publique le 27 janvier 1978 sous le No. 2 357 073, dans laquelle les termes introduits dans les équations ci-dessus sont étudiés du point de vue de la connexité qui existe entre ces termes et le fonctionnement d'un tel dispositif. Il suffit de dire ici que la relation entre le courant de drain ou de canal et la longueur du canal divisée par la longueur totale non appauvrie 'restante (laquelle longueur s'étend jusqu'à la région de pincement) a été analysée théoriquement et vérifiée expérimentalement, les équations ci-dessus étant une représentation précise du fonctionnement du dispositif du type représenté sur la figure 1.
  • Lcrsque le canal conducteur d'un dispositif tel que celui représenté sur la figure 1 est enterré au-dessous de la surface d'un substrat, une tension de pincement continue à exister mais doit être déterminée en fonction d'autres considérations. Ces dernières ne seront pas exposées ici de façon détaillée car on trouvera une approximation dans l'étude, par S.M. Sze, d'un transistor à jonction à effet de champ (J-FET) parue dans la publication intitulée "Physics of Semiconductor Devices", pages 341 et suivantes. La tension de pincement pour un dispositif J-FET, désignée VSAT s'exprime sous une forme modifiée de la façon suivante:
    Figure imgb0024
  • Dans la relation. (15) ci-dessus, eS est la constante diélectrique du matériau semi-conducteur utilisé. Dans le cas du silicium, eS est approximativement égale à 1,05 x 10 -10 Farads/m.
  • En substituant la relation (15) dans les relations (14A) et (14B) ci-dessus, on obtient:
    Figure imgb0025
    Figure imgb0026
  • Les relations ci-dessus ayant été définies à partir des principes physiques fondamentaux qui caractérisent l'écoulement des porteurs de charge dans un dispositif à canal semi-conducteur, on s'efforcera à présent de définir les principes de fonctionnement d'un dispositif Vinhall et l'on appliquera ces derniers à un dispositif Vinhall et à un dispositif Hall à des fins de comparaison, puis l'on s'efforcera de determiner les inexactitudes que comportent les considérations théoriques employer dans l'art antérieur.
  • On donnera à présent une description du détecteur Vinhall et de son mode de fonctionnement, après quoi il analysera ce détecteur en fonction des principes phys. ques auxquels il fait appel.
  • On a représenté sur la figure 12 un détecteur Vinhall typique fortement agrandi (cette représentation n'est pas à l'échelle). Le détecteur comporte un canal conducteur 4 ainsi qu'une source 5 et au moins deux drains 6 disposés, de la façon représentée sur la figure, aux extrémités opposées du canal 4. Ce dernier a une longueur L et une largeur totale W. On supposera qu'un flux ou écoulement initial de porteurs 13, constitut l'occurrence par des électrons, est injecte dans le canal 4 et se déplace directement au centre de celui-ci
  • Dans l'art antérieur, l'étude des détecteurs magnetiques a été faite essentiellement à partir d'une théorie "balistique" de la déviation des électrons ou des porteurs par une force de Lorentz. Cette théorie veut d'autre part que les parois qui définissent les limites du canal et maintiennent l'écoulement d'électrons
    Figure imgb0027
    porteurs à l'intérieur de celles-ci soient fixes et immuables. Par ailleurs, l'écoulement a électrons serait dévié à l'intérieur du canal par la force de Lorentz appliquée aux porteurs en mouvement en présence d'un champ magnétique. Cette force provoquerait 1 apparition sur les parois fixes du canal de "nuages" d'électrons et de trous qui créeraient un champ électrique lequel s'opposerait à toute déviation ultérieure des électrons, et seraient à l'origine de ce que l'on a appelé "tension de Hall". L'étude ci-après montrera que ces considérations théoriques semblent erronées.
  • La figure 8 est une vue de dessus d'une partie d'un canal en matériau semi-conducteur 4. La partie de canal 4 a une largeur totale W et contient des électrons et d'autres porteurs présentant une configuration uniforme dans laquelle les porteurs sont séparés par un.intervalle d dans les directions x et y. La partie de canal 4 a été placée sur un système d'axes x et y de telle sorte que l'axe y soit confondu avec l'axe de symétrie du canal et que les limites de ce dernier soient situées de part et d'autre de l'axe y à une distance ± W/2 de celui-ci.
  • Conformément à la théorie classique applicable aux dispositifs Hall, on a supposé que les parois du canal sont fixes et immuables, et il s'ensuit que si les électrons sont déviés dans le canal, ils doivent s'entasser le long d'une de ses parois, d'où un effet d'appauvrissement ou d'épuisement le long de la paroi opposée. Cetentassement supposé est produit par la force de Lorentz qui agit sur les porteurs qui se déplacent en présence d'un champ magnétique perpendiculaire à l'axe du canal et qui dévie les porteurs selon une trajectoire définie par le modèle balistique.
  • Pour voir le défaut de ce raisonnement, il suffit d'observer que la force électrostatique de répulsion entre mêmes charges (électrons) est trop grande pour qu'une déviation de quelque importance puisse être produite par une force de Lorentz. La force de Coulomb entre électrons uniformément espacés dans la direction x peut être définie comme suit:
    Figure imgb0028
    où x est l'intervalle entre électrons, eS est la cons- tante diélectrique du milieu séparant les charges et est la charge unitaire d'un électron.
  • La force Fx appliquée à un électron par un champ a... trique Ex est également définie par:
    Figure imgb0029
  • Les relations (17) et (18) permettent de déterminer le champ électrique Ex qui existe entre les électrons:
    Figure imgb0030
    Figure imgb0031
  • En dérivant la fonction Ex par rapport à x cans la relation (19), on obtient:
    Figure imgb0032
  • Pour un espacement x des électrons égal à d. on est la définition standard de la concentration de donneurs dans un canal ou dans un matériau semi-conducteur.
  • On peut donc écrire la relation (21) sous la forme suivante:
    Figure imgb0033
  • En tirant Δx de la relation (22), et en remplaçant dEx par sa valeur on obtient:
    Figure imgb0034
  • En prenant les valeurs numériques suivantes:
    • V = 107 cm/s, ce qui est la vitesse maximum qu'un porteur est susceptible d'atteindre,
    • eS= 1,05 x 10 12 farads/cm, en supposant que le matériau employé est du silicium,.
    • B = 350 x 10-8 webers/cm2, ce qui correspond à 350 Gauss, cette valeur étant la valeur maximum du champ magnétique qui existe en principe immédiatement au-dessus de la surface d'une bande magnétique, par exemple,
    • q = 1,6 x 10-19 coulombs/charge unitaire d'un électron,
    • ND = 1017 ions/cm3,

    le champ de Lorentz Vy BZ obtenu en pareil cas existe le long de l'axe x et est d'environ 35 volts/cm. On obtient: Δx = 1,44 x 10 cm soit 1,44 A.
  • Cette distance de déviation Δx correspond à une tension de Hall qui est inférieure d'au moins un ordre de grandeur à celle effectivement obtenue dans le cas d'un dispositif de Hall utilisé dans les conditions indiquées ci-dessus. La théorie selon laquelle les parois du canal d'un dispositif Hall sont fixes et immuables semble donc être incorrecte. Le champ de Lorentz ne provoque pratiquement aucune déviation des porteurs de charge et aucun "entassement" ou "nuage chargé" d'électrons ne peut en résulter, même dans les conditions les plus favorables.
  • Le principe ci-dessus, dont on peut démontrer l'inexactitude, conduit à une conclusion inexacte. Par exemple, on affirme généralement qu'il est extrêmement souhaitable que le canal soit large afin d'éviter un entassement des charges. Etant donné que les champs de Lorentz ne peuvent pratiquement pas dévier les électrons dans les dispositifs de l'art antérieur, ainsi qu'on l'a démontré, le caractère fixe et immuable des parois du canal est erroné. Ainsi qu'on va maintenant le démontrer, ce n'est pas la largeur du canal, mais le processus de modulation, du fait de l'action de champs magnétiques ou électriques, de la largeur des régions d'appauvrissement qui constitue le facteur essentiel.
  • A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 11A une partie du canal 4 qui est formée dans un substrat semi-conducteur 1. Ce dernier est du type P et le canal est du type N. La source 5 et les drains 6 ne sont pas représentés. Cette source et ces drains seraient du type N+ et réalisés au moyen de techniques bien connues de manière à obtenir un dispositif fonctionnant dans le mode d'enrichissement ou dans le mode d'appauvrissement.
  • On observera que des jonctions P-N existent le long des limites du canal, ainsi qu'au niveau de la source et des drains partout où le matériau de type N aboute le substrat de type P.
  • Ainsi qu'on le verra plus loin, il existe une région d'appauvrissement à toutes les jonctions P-N du dispositif, y compris sa partie inférieure, ses côtés, ses extrémités et, dans certains cas, la partie supérieure da canal conducteur lui-même. L'analyse ici donnée est limitée à une vue bidimensionnelle qui ne tient pas compte de la modulation en profondeur des régions d'appauvrissement dans les parties supérieure et inférieure du canal. Cette simplification n'affecte pas de façon appréciable la compréhension du mécanisme de l'invention. On notera cependant qu'il conviendrait de modifier légèrement les expressions relatives à la modulation de la largeur de la région d'appauvrissement aux fins d'une analyse tri-dimensionnelle.
  • On sait qu'une couche d'appauvrissement se forme aux ionctions P-N. Sur la figure 11A, les couches d'appauvrissement formées à l'intérieur du canal 4, le long des côtés de celui-ci, sont représentées en pointillés
  • désignées par le numéro de référence 9. La largeur des zones d'appauvrissement est identifiée soit par ℓnL ou ℓnR, respectivement pour la largeur de la couche de gauche ou celle de droite, soit simplement par ℓn si les largeurs des couches de gauche ou de droite sont égales. Une couche analogue, de largeur ℓp, existe dans le matériau de type P le long des côtés du
    Figure imgb0035
    On rotera que les électrons ne se déplacent que
    Figure imgb0036
    appauvrie du canal, partie dont la largeur est dite ci-après "largeur Vinhall" W et est définie par:
    Figure imgb0037
  • Dans les relations ci-dessus W représente la largeur physique du canal.
  • Un potentiel de la charge d'espace, un champ électrique et une tension existent, à proximité d'une jonction P-N entre le canal et le substrat. Les figures 10A, 10B, 10C représentent respectivement lesdits potentiel de charge d'espace, champ électrique et tension.
  • Les figures 10A à 10C sont alignées sur un axe vertical désigné "jonction métallurgique". Cette jonction est également dite limite stochastique ou partie de la jonction P-N où les concentrations de donneurs et d'accepteurs sont égales. Sur la figure 10A, la charge d'espace est représentée sous la forme d'une charge positive et d'une charge négative distribuées autour de la jonction métallurgique, la charge positive se trouvant dans la région de type N et la charge négative dans la région de type P. La nature de la distribution de cette charge d'espace n'est pas parfaitement comprise et n'est représentée que sous la forme d'une approximation grossière sur la figure 10A. Seules des observations d'un caractère général peuvent donc être formulées à partir de cette figure. Premièrement, des régions d'appauvrissement de largeurs différentes ℓ et ℓ n existent respectivement dans les matériaux de type P et de type N en fonction, respectivement, des concentrations d'accepteurs et de donneurs. Deuxièmement, l'importance de la charge d'espace dans lesdites régions est le produit de la densité de donneurs ND par la charge des porteurs q soit qND. De même, dans la région de type P, la densité des accepteurs est égale au produit de NA par la charge électrique q soit qNA. Selon la convention choisie en ce qui concerne le signe de la charge, la charge d'espace dans la région de type P est de signe plus ou de signe moins, et celle de la région de type N est de signe moins ou de signe plus, respectivement. Selon la convention ici choisie, la charge est positive dans la région de type N et négative dans la région de type P.
  • La figure 10B représente le champ électrique qui existe entre les bords de la région d'appauvrissement dans le matériau de type P et le matériau de type N au travers de la jonction métallique ou limite stochastique. Ce champ électrique peut être déterminé en appliquant la loi de Gauss à la distribution de la charge d'espace représentée sur la figure 10A. Au niveau de la jonction métallurgique ce champ a pour valeur E qui s' exprime
    Figure imgb0038
    Dans cette expression de E9:
    • ΨO est le paramètre connu sous le nom de "tension de diffusion et a pour valeur
      Figure imgb0039
      Figure imgb0040
      Figure imgb0041
      Figure imgb0042
      Figure imgb0043
      Figure imgb0044
    où la tension V est appliquée de façon externe à une jonction P-N.
  • L'obtention d'une valeur précise est fonction de la distribution effective de la charge d'espace (donneurs et accepteurs) qui serait formée à proximité immédiate des jonctions métallurgiques constituant les limites des régions d'appauvrissement. La forme et la distribution de ces régions sont actuellement inconnues. L'expression donnée ci-dessus est la meilleure dont on dispose actuellement (voir l'ouvrage de P.E. Gray et al, intitulé "Physical Electronics and Circuit Models of Transistors", publié en 1964 par John Wiley and Sons, New York, pages 8 à 23).
  • Ainsi qu'on l'a déjà indiqué, la largeur effective de la partie conductrice du canal est égale à la largeur W moins deux fois la largeur des régions d'appauvrissement. La largeur Vinhall WV précédemment définie peut également s'écrire, pour un état de repos à une tension donnée V et dans le cas où les largeurs des régions d'appauvrissement sont égales:
    Figure imgb0045
  • Il ressort de l'expression (25) que la largeur de la couche d'appauvrissement 1n qui se trouve le long de chaque côté du canal est fonction d'une tension V de modulation de la largeur de cette couche qui est appliquée de façon externe à la jonction. Cette tension peut être créée à l'intérieur du canal par suite du champ de Lorentz VB qui est formé dans un canal de largeur Vinhall WV. La tension de Lorentz VL = VBWV est dirigée dans la direction x, en supposant que les porteurs se déplacent dans le canal dans la direction y et qu'un champ magnétique soit appliqué perpendiculairement au canal.
  • La figure 11A représente la création et l'application de la tension de Lorentz VL qui agit dans la direction x vers les limites des régions d'appauvrissement qui se trouvent le long des côtés du canal. La définition générale de la tension de Lorentz VL est donnée sous la forme d'une intégrale curviligne du champ de Lorentz
    Figure imgb0046
    prise entre les jonctions P-N qui forment les côtés du canal. Les couches d'appauvrissement 9 sont représentées sur la figure 11A avant l'application d'un champ magnétique perpendiculairement au plan de cette figure. De ce fait, on a indiqué que l'induction magnétique B est nulle.
  • Si un champ magnétique est appliqué au canal 4 perpendiculairement au plan de la page, on obtient une tension de Lorentz qui, conformément à l'expression (25) ci-dessus, modifie la largeur ln des régions d'appauvrissement 9 le long de chaque côté du canal 4. Sur la figure 11B, l'induction magnétique sort du plan de la page et du fait de la modulation de la largeur des couches d'appauvrissement, les limites de ces dernières se déplacent toutes deux vers la gauche d'une même quantité réduisant de ce fait la largeur ℓnL et augmentant corré- lativement la largeur 2nR de la même quantité. Cela se traduit par un déplacement effectif, vers la gauche, de la partie conductrice du canal, sans variation de la largeur WV. La situation inverse est représentée sur la figure 11C, l'induction B étant inversée et les limites des régions d'appauvrissement sont décalées d'une même quantité vers la droite. On notera que la largeur Vinhall Wv reste constante et est indépendante du champ de Lorentz VxB. Le phénomène décrit ci-dessus est particulièrement intéressant puisque les limites, qui étaient censées être fixes, font en réalité l'objet d'un déplacement alors que les porteurs eux-mêmes contenus dans le canal ne peuvent pratiquement pas être déviés par le champ de Lorentz. Il est intéressant de calculer la relation approximative qui peut exister et de déterminer le déplacement des limites du canal, dans la direction x, lorsque la tension de Lorentz leur est appliquée.
  • En écrivant de nouveau l'expression (25) en y remplaçant le terme ψo par sa valeur donnée par la relation (24) et en prenant une tension -V égale à
    Figure imgb0047
    on obtient:
    Figure imgb0048
  • On peut simplifier l'expression (27) en procédant aux substitutions suivantes et en négligeant les effets de la tension de drain en fonction de la position le long du canal et particulièrement à proximité des drains, où le pincement se produit:
    Figure imgb0049
    Figure imgb0050
    Ce qui donne:
    Figure imgb0051
    NOTE : Dans cette analyse, on n'a pas tenu compte des effets de la tension de drain en fonction de la position le long du canal. Cette expression résultante est valide à proximité du drain où le pincement se produit.
  • En dérivant la fonction ln par rapport à B dans l'expression (30), on obtient:
    Figure imgb0052
  • En remplaçant la valeur de ln donnée par l'expression (30) dans l'expression (31) on obtient:
    Figure imgb0053
  • En remplaçant a par sa valeur donnée par l'expression (28), on obtient:
    Figure imgb0054
  • En posant:
    Figure imgb0055
    on.obtient:
    Figure imgb0056
  • En remplaçant y dans l'expression (35) par sa valeur dans l'expression (29) et en posant S = ∫dln comme valeur du déplacement des limites de la largeur de la région d'appauvrissement on obtient
    Figure imgb0057
    ou
    Figure imgb0058
    Etant donné que: NDT = D NAT = Do
    Figure imgb0059
    Figure imgb0060
    Figure imgb0061
    le bas, sur la figure 12, des limites du canal de la façon qui vient d'être décrite, des variations de courant différentielles sont obtenues au niveau des drains 6. On peut aisément démontrer, comme on le verra par la suite, que la sensibilité ΔIc I du dispositif Vinhall est donnée par l'expression c suivante:
  • Figure imgb0062
    En remplaçant S dans l'expression (37) par sa valeur dans l'expression (36), en obtient:
    Figure imgb0063
    Il est important de noter que la sensibilité ηv du détecteur Vinhall est inversement proportionnelle à la largeur Vinhall Wv si le produit VBWV est supérieur à KTO KTO Il est très important également de tenir compte qest très important également de tenir compte du fait que la forme de ces expressions est régie par l'expression choisie pour définir la longueur des régions d'appauvrissement qui se trouvent le long des côtés opposes de la jonction métallurgique. Ainsi qu'on l'a déjà mentionnée l'expression employée ne donne
    Figure imgb0064
    Figure imgb0065
    figures 15D et 15E est donc plus faible que sur les figures 15B et 15C. En revanche, les effets de l'induction magnétique B sont analogues à ceux représentés sur ces dernières figures. On notera que les effets de la modulation de la largeur et de l'épaisseur des régions d'appauvrissement se produisent simultanément dans le canal au niveau des coupes prises selon les lignes A'-A' et B'-B'. Les explications mathématiques de ces effets tri-dimensionnels sont extrêmement complexes. L'analyse ici présentée décrit uniquement le déplacement des parois et, en dépit de cette limitation, les résultats obtenus expérimentalement correspondent d'une façon très précise à la théorie.
  • Il va sans dire que des perfectionnements successifs devront être apportés aux expressions mathématiques données plus haut lorsqu'on disposera de données supplémentaires nouvelles ou plus précises en ce qui concerne la nature de la jonction métallurgique, les effets du pincement sur la géométrie du canal et la nature de la distribution de la charge d'espace dans cette jonction métallurgique. Néanmoins, ces problèmes n'affectent pas les observations générales faites ci-après car elles font appel à des rapports de résultats calculés et non à des résultats numériques absolus.
  • Comme le montre l'expression (38) ci-dessus, une sensibilité élevée peut être obtenue en diminuant la largeur totale du canal, de telle sorte que BVWV soit inférieur ou égal à
    Figure imgb0066
     résultat complètement inattendu qui est en opposition directe avec l'art antérieur. En fait, on notera qu'il existe une relation réciproque entre les dispositifs Vinhall et Hall, ainsi qu'on le verra plus loin. La largeur Vinhall doit être faible et la largeur des couches d'appauvrissement doit représenter une proportion relativement importante de la largeur totale du canal de telle sorte qu'une déviation effective plus grande des limites des régions d'appauvrissement puisse être obtenue. On verra également que le fonctionnement d'un dispositif à effet Hall dépend de l'existence d'un gradient de la vitesse des porteurs et que l'on n'a semble-t-il, pas découvert ce fait jusqu'à présent. Certaines contradictions entre les résultats constatés et la théorie antérieure de l'effet Hall semblent s'expliquer par le fait que les dispositifs utilisant l'effet Hall exigent un gradient de vitesse pour pouvoir fonctionner.
  • Avant de comparer une cellule à effet Hall et le détecteur Vinhall, on formulera un certain nombre d'expressions mathématiques importantes pour définir les performances dudit détecteur. Les expressions définitives essentielles, outre celles précédemment données qui définissent la sensibilité et le courant de canal, sont celles qui se rapportent au signal de sortie et au rapport signal/bruit
  • A partir de l'expression (37) ci-dessus, qui constitue la définition fondamentale de la sensibilité d'un détecteur Vinhall, on peut définir de la façon suivante le signal de sortie et le rapport signal/bruit:
    • Un signal de sortie ΔE est défini comme étant égal à RΔI. Par conséquent, lorsque R est la résistance de charge et que ΔI est la variation du courant, I sera égal au courant de canal IC multiplié par la sensibilité ηV. De ce fait, le signal de sortie du détecteur Vinhall sera:
      Figure imgb0067
  • Les expressions (16A) et (16E) sont rappelées ci-dessous dans un but de commodité:
    Figure imgb0068
    ou
    Figure imgb0069
    où ND est la concentration de donneurs dans le canal, T et l'épaisseur du canal, WTV est la largeur Vinhall, VSAT est la vitesse de saturation des porteurs et correspond à 10' cm/s, et D est la densité intégrale des électrons existant dans le canal.
  • En fonction de ce qui précède, le signal de sortie du détecteur vinhall peut maintenant être obtenu en compte une les expressions (39), (38) et (16A) ou (16B) de la façon suivante:
    Figure imgb0070
    Figure imgb0071
    Figure imgb0072
    L'expression (40) est formulée en termes de la densité P et non des concentrations d'accepteurs NA et de P et non des concentrations d'accepteurs NA et
    Figure imgb0073
    Figure imgb0074
    à proximité des drains. On peut réduire ou supprimer ce type de bruit en ramenant l'intervalle qui sépare les drains à une valeur inférieure à la largeur Vinhall.
  • En supposant que toutes les mesures indiquées ci-dessus aient été prises pour réduire ou supprimer ces différents types de bruit, et que le bruit restant soit négligeable par rapport au bruit statistique, on peut raisonnablement considérer que le rapport signal/bruit est égal au signal de sortie du détecteur Vinhall divisé par le bruit statistique, ce qui donne le rapport de bruit statistique β qui pour le dispositif Vinhall, est défini comme suit:
    Figure imgb0075
    où la tension de bruit EN est égale à:
    Figure imgb0076
    Δf étant la largeur de bande du signal en Hertz.
  • En remplaçant IC et ηV dans l'expression (41) par leurs en leurs respectivement définies par les excreselens
    Figure imgb0077
    (38) on obtients
    Figure imgb0078
    pour
    Figure imgb0079
    Figure imgb0080
    définition de Ki précédemment donnée que le rapport signal/bruit est indépendant de la largeur Vinhall Wv lorsque la condition critique V SBWV≤
    Figure imgb0081
    est satisfaite, et dépend de l'épaisseur T du canal, de densités des électrons D et D et de la vitesse de saturation des porteurs VS.
  • On procèdera à présent à une comparaison du fonctionnement du dispositif Vinhall et de celui d'un dispositif Hall en utilisant comme base la nouvelle théorie propo- sée par la présente invention. On précisera tout d'abord les caractéristiques de fonctionnement d'un dispositif Hall en utilisant les principes de la modulation de la largeur des régions d'appauvrissement qui ont été précédemment exposés. Avant de définir les expressions afférentes au fonctionnement des dispositifs, on donnera une simple explication qualitative.
  • On se reportera à présent aux figures 13A et 13B qui représentent schématiquement une cellule à effet Hall typique. Dans la cellule représentée sur la figure 13A des porteurs sont injectés depuis une source et sortent d'un drain à l'extrémité opposée de la cellule, Deux sondes de sortie 12 sont disposées entre les extrémités de la cellule. Le courant circule directement dans canal entre la source et le drain. Les porteurs qui sont injectés au niveau de la source entrent dans la cellule à une vitesse V1 et en sortent à une autre vitesse V2. Il existe donc un gradient de vitesse entre la source et le drain de la cellule représentée sur la figure 13A. Par suite de la modulation des limites des régions d'appauvrissement, lesquelles limites sont fonction de la vitesse, comme l'indique, par exemple l'expression (36), ci-dessus, ces limites se déplisses de la façon indiquée sur la figure 13A et les lignes équipotentielles effectuent une légère rotation de manière à produire une tension de sortie aux sondes 12. On notera que la largeur Vinhall W existe dans la cellule et reste essentiellement constante.
  • La figure 13B met en évidence le fait que le fonctionnement de la cellule dépend d'un gradient de vitesse. Sur cette figure, la cellule est analogue à celle de la figure 13A, mais les vitesses d'entrée et de sortie V1 et V2 sont égales et ont une valeur V. On voit qu'en pareil cas, bien que les limites du canal puissent faire l'objet d'un déplacement du fait de la modulation de la largeur des régions d'appauvrissement, ce déplacement s'effectue parallèlement aux côtés du canal et il ne se produit aucune rotation des lignes équipotentielles. La cellule à effet Hall ne produira donc pas, dans le cas d'une vitesse constante des porteurs dans le canal, de signal de sortie.
  • Sur la figure 13A, il est évident que la cellule à effet Hall fournira une sortie dans les conditions représentées puisque les lignes équipotentielles entre la source et le drain ont fait l'objet d'une rotation d'un petit angle 8. En revanche, aucun signal de sortie ne sera obtenu dans le cas représenté sur la figure'13B puisque la vitesse des porteurs est constante dans le canal entre la source et le drain. Cette vitesse constante se traduit par une simple translation uniforme des limites des régions d'appauvrissement le long du canal. Les lignes équipotentielles ne sont pas modifiées et, par conséquent, aucun signal de sortie ne doit théoriquement être obtenu. En revanche, dans les mêmes conditions, c'est-à-dire pour une vitesse uniforme des porteurs dans le canal, le dispositif Vinhall représenté sur la figure 14B fournit un signal substantiel VSORTIE entre les drains séparés 6. Cela est dû au fait que les drains D1 et D2 reçoivent un courant différentiel, ainsi qu'on l'a précédemment mentionné, parce qu'ils interceptent la quasi totalité du courant qui circule dans le canal.
  • Il ressort de ce qui précède que la génération d'une tension de sortie par un dispositif Hall dépend de l'existence d'un gradient de vitesse des porteurs VV dans le canal de manière à provoquer une rotation des lignes équipotentielles, de la façon indiquée sur la figure 13A. La sensibilité d'un tel dispositif, lorsque la vitesse des porteurs est constante, est pratiquement nulle, mais celle du détecteur Vinhall de la figure 14B dans les mêmes conditions peut aisément être calculée en considérant les courants de drain I D1 et ID2 respectivement obtenus aux deux drains Dl et D2.
    Figure imgb0082
    Figure imgb0083
    Figure imgb0084
    Figure imgb0085
    où J est le courant par unité de longueur du canal. De ce fait:
    Figure imgb0086
     Les différences fondamentales entre un dispositif Hall et un dispositif Vinhall peuvent aisément être déterminées en procédant aux comparaisons ci-après.
  • Pour qu'un dispositif Hall puisse fonctionner, (1) il est indispensable qu'un gradient de vitesse existe dans le canal, et (2) la tension de sortie est fonction de la vitesse des porteurs et non de leur nombre.
  • Pour qu'un dispositif Vinhall puisse fonctionner, (1) aucun gradient de vitesse n'est nécessaire, (2) la tension de sortie est uniquement fonction de la vitesse des porteurs aux drains, et (3) la tension de sortie est fonction du nombre de porteurs qui pénètrent dans la région des drains avec une vitesse déterminée.
  • On peut maintenant procéder à une comparaison entre les deux types de dispositif' en fonction de leur performance et de leurs caractéristiques de sortie. Le principal objet de cette étude est de déterminer le rapport de sensibilité R entre les dispositifs Vinhall et Hall. Le résultat de cette étude est indépendant de l'expression définissant la modulation de la largeur des régions d'appauvrissement qui a été indiquée ci-dessus puisque, dans cette étude, le rapport entre les sorties sera utilisé et que les modulations des largeurs des régions d'appauvrissement sont les mêmes dans les deux dispositifs. On supposera que la vitesse des porteurs augmente le long du canal de la source vers le drain afin de simplifier les calculs, et la vitesse des porteurs dans le canal sera déterminée au moyen de l'approximation suivante:
    Figure imgb0087
     où V1 est la vitesse des porteurs au niveau de la source et V2 est la vitesse acquise par les porteurs au niveau des drains. La largeur ln des régions d'appau- vrissement est modulée à la source d'une distance S1 et aux drains d'une distance S2 et, d'une façon générale, à une distance quelconque Y le long du canal de la façon indiquée par les expressions (47A), (47B) et (48) qui définissent respectivement le déplacement du niveau de la source, le déplacement au niveau du drain et le déplacement en fonction de la distance le long du canal:
    Figure imgb0088
    Figure imgb0089
    Figure imgb0090
    où
    Figure imgb0091
  • Dans le cas représenté sur la figure 13A, le petit angle θ est l'angle dont la tangente est égale à
    Figure imgb0092
  • Cette valeur est égale à la déviation latérale δ à l'une des extrémités d'une ligne équipotentielle divisée par la largeur Wv du canal, d'où:
    Figure imgb0093
    Figure imgb0094
    du premier ordre de la tension de
    Figure imgb0095
    peut considérer que, la rotation des lignes
    Figure imgb0096
    étant définie par l'expression (50), la tension Vh sera la proportion de la différence de po- tentiam VO entre la source et le drain qui est obtenue en décalant les sondes d'une distance δ, c'est-à-dire:
    Figure imgb0097
  • Des explosions (50) et (51), on tire:
    Figure imgb0098
  • En remplacant S, et S2 par leur valeur dans les expressions (47) et (47B), l'expression (52) devient:
    Figure imgb0099
    Figure imgb0100
    d'injection V1 soit nulle dans les deux dispositifs, que la vitesse ultime des porteurs soit la vitesse maximum V2 correspondant à un pincement, et qu'une augmentation linéaire de vitesse se produise en fond tion de la distance Y dans le canal en se dirigeant vers les drains. Dans ce cas, la tension de sortie devient:
    Figure imgb0101
  • La sensibilité ηH du dispositif Hall, qui est
    Figure imgb0102
     est obtenue en divisant l'expression (54) par V0, la tension appliquée entre la source et le drain du dispositif. Cela donne le résultat suivant:
    Figure imgb0103
  • La sensibilité ηV du dispositif Vinhall est déterminée en imaginant que le drain représenté sur la figure 13A se compose en fait de deux drains séparés par un intervalle 8 comme sur la figure 12. La sensibilité ηV devient, puisqu'elle est définie, comme précédement, par
    Figure imgb0104
     où S = S1 + ΔS et où ΔS = S2 - S1, ces deux derniers termes étant définis par les expressions (47A) et (47B):
    Figure imgb0105
  • Le rapport de sensibilité R qui est défini ci-dessous permet de comparer la sortie du dispositif Vinhall avec celle du dispositif Hall et est obtenue en divisant la relation (56) par la relation (55), ce qui donne:
    Figure imgb0106
  • L'expression (57) ci-dessus est valable pour les conditions équivalentes de fonctionnement des deux dispositifs dans lesquelles une chute de tension égale à la moitié du courant de canal multipliée par la résistance de charge RL se produit dans cette dernière, créant ainsi une tension V0 identique à la tension de commande V0 appliquée aux bornes du dispositif Hall.
  • Cela peut s'écrire:
    Figure imgb0107
    expression dans laquelle:
    Figure imgb0108
  • Ainsi, en substituant l'expression relative à
    Figure imgb0109
    on obtient:
    Figure imgb0110
     Ce critère spécifie que le rapport de la longueur L du canal à la largeur Vinhall WV est fonction de la résistance de charge, de la densité des électrons, de la charge et de la mobilité des porteurs qui se trouvent dans le canal.
  • Il ressort clairement de l'expression (57) que la sensibilité du détecteur Vinhall est très supérieure à celle du dispositif Hall. La valeur optimum du rapport longueur/largeur dans le cas d'un dispositif Hall est proche de l'unité et dans le cas d'un dispositif Vinhall, cette valeur est supérieure à cinq. Ainsi, en supposant que le rapport soit approximativement Égal
    Figure imgb0111
    cas d'un dispositif Hall moyen, le détecteur
    Figure imgb0112
    moins sensible sera au moins vingt fois plus sensible que le dispositif Hall équivalent le plus sensible.
  • On se reportera à présent aux figures 1 et2, la figure 2 étant une coupe longitudinale du dispositif représenté sur la figure 1 et comportant un substrat en métal semi-conducteur 1 dans lequel une source 5 et un ou plusieurs drains 6 sont implantés ou diffusés. La surface du substrat, notamment à proximité du canal 1, est recouverte de façon classique d'une mince couche isolante d'oxyde 2, et d'une couche d'aluminium ou autre matériau'conducteur déposé par évaporation ou autre technique appropriée et constituant une porte 7 à laquelle des tensions de commande appropriées peuvent être appliquées.
  • Cet ensemble constitue un transistor à effet de champ dans lequel, lorsque des tensions appropriées sont appliquées à la porte 7, à la source 5 et aux drains 6, un canal conducteur 4 de porteurs appelé "couche d'inversion" se forme entre la source et les drains. de la pour effet de créer une densité effective des porteurs qui peut être définie au moyen des mêmes termes que ceux précédemment utilisés dans le cas d'un dispositif à canal implanté dans lequel les porteurs ou les ions nécessaires pour former le canal sont implantés au-dessous de la surface du substrat. On peut démontrer que le signal de sortie d'un dispositif fonctionnant dans le mode d'enrichissement dans lequel les porteurs forment un canal conducteur, est une fonction linéaire de la tension appliquée à la porte et qu'un tel dispositif est moins sensible qu'un dispositif à canal enterré (fonctionnant dans le mode d'appauvrissement). La perte de sensibilité et d'amplitude du signal de sortie est le résultat de la faible épaisseur T du canal et d'une concentration élevée de donneurs N dans celui-ci. Cette concentration a pour effet de diminuer l'importance de la modulation de la largeur des régions d'appauvrissement qui peut être obtenue pour un champ de Lorentz donné.
  • Les expressions ci-dessus montrent que les performances du détecteur Vinhall sont exprimées, entre autres paramètres, en termes de la quantité de porteurs qui est nécessaire pour former le canal. Cette quantité de porteurs n'est pas implantée dans les dispositifs Vinhall fonctionnant en mode d'enrichissement, mais ces derniers comportent un nombre équivalent de porteurs dans la couche d'inversion de charge créée par l'électrode de porte et par la couche mince d'oxyde qui sépare l'électrode de porte de la surface du substrat en silicium. En supposant que la concentration ND des porteurs qui sont inversés à la surface du canal soit uniforme dans une couche dont l'épaisseur T est d'environ 0 1000 A, une densité induite équivalente D de porteurs peut être déterminée en considérant l'état des limites pour le champ diélectrique produit à la surface du semi-conducteur par la tension de porte qui traverse la couche mince d'oxyde en direction du substrat en silicium. La relation qui existe entre la densité D et la tension de porte Vg est définie ci-après:
    Figure imgb0113
    où C est la capacité de porte par cm2 et est égale à la constante diélectrique e divisée par l'épaisseur de la couche d'oxyde t0.
  • En substituant l'expression (58) ci-dessus dans les expressions précédentes relatives au fonctionnement en mode d'appauvrissement du dispositif Vinhall, on peut obtenir l'expression équivalente pour les dispositifs fonctionnant en mode d'enrichissement. On notera que les dispositifs Vinhall observent des principes identiques, qu'ils fonctionnent dans le mode d'enrichissement ou dans le mode d'appauvrissement.
  • La figure 4 représente.une coupe longitudinale d'un substrat semi-conducteur typique 1 comportant un canal 4 enterré au-dessous de la surface du substrat et présentant les caractéristiques suivantes:
  • Le canal 4 est créé en implantant du phosphore, par exemple, de telle sorte qu'une concentration profonde et uniforme des porteurs soit obtenue au-dessous de la surface du substrat sur une profondeur d'environ 4000 A ou davantage. La densité des porteurs que l'on désire obtenir est d'environ 2 x 1012 ions/cm2 pendant l'implantation. Il est particulièrement souhaitable que cette implantation soit effectuée par étapes successives en employant des énergies variant entre 50 et 200 KeV.
  • Un canal profond présentant une épaisseur T de l'ordre 0 de 4000 A est donc obtenu à partir d'une région située à 500 Å environ au-dessous de la surface du substrat. Un tel canal permet d'obtenir le courant de canal nécessaire tout en rendant possible une modulation substantielle de la largeur des régions d'appauvrisse ment disposées le long de ses côtés. Ainsi, qu'on l'a précédemment observé, il est également important d'enter- précédemment observé, il est également important rer le canal à une profondeur suffisante pour réduire le bruit et augmenter le rapport signal/bruit. La porte de commande 7 fait fonction d'écran électrique servant
    Figure imgb0114
  • La figure 5 représente une variante de la réalisation de la figure 4 dans laquelle la porte de commande en métal 7 a été complètement supprimée et qui comporte une couche isolante opaque 16 disposée au-dessus de la surface supérieure. L'objet de la couche opaque 16 est d'empêcher la lumière de pénétrer dans le substrat semi-conducteur et de provoquer du bruit par suite de la lumière émise par les électrons contenus dans le canal.
  • Les figures 3C, 3D et 7A à 7C représentent des détecteurs Vinhall à canal évasé. Cet évasement est dû à plusieurs raisons. Tout d'abord, ainsi qu'on l'a déjà mentionné, la largeur de la partie rectiligne du canal qui se trouve à proximité de la source commande le courant de canal qui traverse le dispositif. Ce courant est vir- tuellement indépendant de ce qui se passe en aval, dans la partie évasée du canal qui se trouve plus près des drains. Cela permet de réduire au minimum le bruit dû à l'injection de la source et aux effets de la modulation de la longueur de la région d'appauvrissement à proximité des drains, et d'augmenter la stabilité du despositif.
    Figure imgb0115
    Figure imgb0116
  • La largeur Vinhall évasée WVf désirée à proximité des drains est fonction de la largeur de la fente 8 qui, sur la figure 3D, sépare les drains. La largeur Vinhall évasée qui est désignée WVf doit être au moins égale à la largeur de la fente 8.
  • La partie la plus sensible du dispositif Vinhall se trouve à proximité des drains et est la seule région qui nécessite un champ magnétique pour moduler les limites des régions d'appauvrissement. Cette caractéristique du détecteur Vinhall explique non seulement sa résolution élevée, mais aussi sa grande sensibilité. Le. détecteur Vinhall fait donc essentiellement fonction de détecteur ponctuel. Il est préférable, mais non indispensable, que le dispositif Vinhall soit utilisé dans le mode de pincement. Une telle situation est représentée sur les figures 7A à 7C et sur la figure 3D.
    Figure imgb0117
    Figure imgb0118
  • Il est souhaitable due les drains 6 soient séparés par une faible distance de manière à obtenir une sensibilité optimum dispositif Vinhall. Des techniques spéciales de fabrication peuvent être employées à cette fin. L'une de ces techniques consiste à implanter les deux drains 6 aussi près l'un de l'autre que les techniques de masquage photolithographique le permettent, puis à procéder à une opération de recuit qui limite la migration des ions qui se produit à une température de recuit proche de la température de diffusion. Cette température est d'environ 1000°C dans le cas du silicium, mais varie avec différents matériaux. Le résultat de cente opération est l'obtention d'une séparation dont la largeur est inférieure à la largeur minimum du masque qui est rendue possible par la technique photo- thographique employée. Un second procédé permettant d'obtenir une séparation plus etroite consiste à implanter initialement une région de drain ininterrompue et de former ensuite une séparation au moyen d'une technique
    Figure imgb0119
    tensions de drain élevées.
  • Ayant ainsi décrit l'invention dans le contexte de plusieurs réalisations de celle-ci, il est intéressant de comparer la forme "filament" typique d'un dispositif Vinhall avec celle de plusieurs dispositifs connus. La forme du dispositif Vinhall est définie par le rapport de la largeur Vinhall WV à la largeur totale W du canal. L'expression (25) constituera le point de départ de cette étude. Dans cette dernière expression, la largeur de la région d'appauvrissement qui se trouve le long d'un des côtés du canal, à l'intérieur de celui-ci, est déterminée en fonction de.plusieurs variables. On supposera que ces dernières ont les valeurs optimum ci-après:
    Figure imgb0120
  • En pareil cas, la largeur de la couche d'appauvrissement à proximité de la source d'un dispositif Vinhall (largeur pour laquelle le terme V dans l'expression (25) est 0 nul) est d'environ 510 A. La largeur totale de la région appauvrie est égale au double de cette valeur, soit environ 1000 Å, et, dans le cas le plus défavorable, c'est-à-dire un dispositif Vinhall à canal large, avec 0 une largeur de canal de 50000 A, le rapport Wv divisé par W est égal à 0,98. Si l'on choisit une largeur totale du canal plus appropriée de 25 000 A, ce rapport devient 0,96.
  • Ce qui précède suppose le cas le plus défavorable pour un dispositif Vinhall en ce qui concerne la largeur et le cas le plus favorable en ce qui concerne la largeur des régions d'appauvrissement. Une comparaison est effectuée ci-après avec quelques dispositifs classiques pris dans les conditions les plus favorables.
  • Dans le cas d'un dispositif à effet Hall typique présentant les plus petites dimensions prévues, soit 6.10-4 mm2 environ, le rapport de la largeur Vinhall à la largeur du canal est d'environ 0,999 à proximité de la source. Elargir ou allonger le dispositif Hall n'aurait d'autres résultats que de rendre la valeur de ce rapport plus proche de l'unité étant donné que la largeur des régions d'appauvrissement définie par l'expression (25) n'est pas fonction de la largeur du canal.
  • Dans le cas du dispositif décrit dans la publication - intitulée "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 13, No.12, mai 1971, page 3633, et en supposant que les dimensions physiques de celui-ci soient les plus favorables, le rapport ci-dessus est proche de 0,998 à proximité de la source. Cela suppose que les drains du dispositif seraient les plus petits possibles, c'est-à-dire qu'ils auraient une largeur d'environ 0,051mm, et que la largeur de la source, telle que celle-ci est représentée dans ladite publication, aurait une largeur d'environ 0,203mm par rapport aux drains.
  • Dans le cas du dispositif décrit dans la publication précitée, Vol.14, No.11, avril 1972, page 3420, la valeur dudit rapport est d'environ 0,998 à proximité de la source, en supposant que les drains représentés dans ladite publication aient une largeur d'environ 0,152mm et qu'ils soient séparés par une distance de 0,051mm, cette dernière valeur représentant approximativement la limite extrême de la résolution pour le type ce technique décrite.
  • L'analyse ci-dessus montre que, dans le cas des dispo- sitifs classiques, la valeur dudit rapport dépasse 0, dans le cas le plus favorable alors que cette valeur constitue un maximum pour le dispositif Vinhall dans le cas le plus défavorable à proximité de la source. L'objet de cette analyse est de montrer que, dans le cas du dispositif Vinhall selon l'invention, la valeur dudit rapport est inférieure à 0,98 et supérieure à zéro, ce qui revient à dire que les régions d'appauvrissement constituent une partie substantielle du canal conducteur. Ce résultat diffère radicalement de l'art antérieur et ne peut être obtenu que si l'on tient compte des caractéristiques du processus de modulation de la largeur des régions d'appauvrissement et que si l'on tient compte du fait que la largeur du canal doit être aussi faible que possible.
  • Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représen- té sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à des modes de réalisation préférés de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortie du cadre de ladite invention.

Claims (8)

  1. Figure imgb0121
  2. 3. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre la largeur Vinhall du canal au voisinage des régions de drain d'une part et la largeur Vinhall au voisinage de ladite source d'autre part, est supérieur à 1.
  3. 4. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que:
    le rapport entre la largeur Vinhall au voisinage des régions de drains, d'une part, et la largeur Vinhall en un point intermédiaire entre les régions de drains et la région de source, d'autre part, est supérieure à 1; et en ce que :
    le rapport entre la largeur Vinhall audit point intermédiaire et la largeur Vinhall au voisinage de la région de source est égal à 1.
  4. 5. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ladite distance prédéterminée séparant les régions de drains a une valeur inférieure à la largeur Vinhall.
  5. 6. ' Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la largeur des régions de drains, telle que mesurée parallèlement à l'axe du canal, est inférieure à ladite distance prédéterminée séparant les régions de drains.
  6. 7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ledit canal s'étend au-dessous de la surface dudit substrat et est séparé de cette dernière par une couche de matériau dont la conductivité est de type opposée à celle dudit canal et dont l'épaisseur est inférieure à ladite largeur Vinhall.
  7. 8. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la largeur Vinhall du canal est supérieure à l'épaisseur du canal telle que mesurée perpendiculairement à la surface du substrat.
  8. 9. Détecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la largeur Vinhall au voisinage des régions de drains est supérieure à 0 et inférieure à la quantité définie par l'expression
    Figure imgb0122
    dans laquelle
    Figure imgb0123
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