FR2466862A1 - Transistor a effet de champ et amplificateur pour hyperfrequences comprenant un tel transistor - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un transistor à effet de champ. Afin d'augmenter la tension drain-source applicable sans claquage, et par-là les niveaux de puissance réalisables, l'invention prévoit de donner un relief au substrat 12 sur sa face portant les électrodes S, G, D, de source de grille et de drain, et de placer l'électrode de grille à un endroit de ce relief tel que la zone de champ sous cette dernière définisse un canal de circulation des charges libres dans le semi-conducteur sans le rétrécissement observé dans l'art antérieur entre la grille et le drain. L'exemple est celui d'un transistor à barrière Schottky. Des batteries sont constituées avec un certain nombre de ces transistors en parallèle. Application à l'amplification en hyperfréquence, pour les télécommunications notamment. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

L'invention concerne un transistor à effet de champ
D'une façon générale, les transistors à effet de champ < TEC ou FET dans la terminologie anglo-saxonne) comportent, sur un substrat semiconducteur, trois électrodes successives de source, de grille et de drain, entre lesquelles, en fonctionnement, sont etablies des différences de potentiel ; sous l'effet de celles-ci a lieu dans le substrat le déplacement de charges électrisées libres de la source vers le drain. Ce déplacement se fait sous les électrodes parallèlement à la direction dans laquelle sont alignées ces électrodes, dans une région usuellement appelée# "canal", située à une certaine distance sous les électrodes.Cette région présente une épaisseur qui varie de l'une à l'autre de ses extrémités, entre la source et le drain, avec un net rétrécissement dans sa partie terminale, c'est-à-dire entre la grille et le drain, dans les conditions habituelles de fonctionnement. Pour plus de précisions sur ce fonctionnement, on se reportera notamment à l'article de Litchi, "Microwave Field
Effect Transistors", 1976, IEEE trans. MTT, vol. MTT 24, NO 6, juin 1976.
Cette région résulte des conditions de champ électrique régnant sous la diode formée par la grille polarisée en inverse, en relation avec la zone désertée créée sous celle-ci par la différence de potentiel appliquée. Une zone à fort champ électrique s'établit vers l'extrémité de la grille du côté du drain où l'essentiel de la différence de potentiel drain-source se manifeste. Avec les substrats d'épaisseur constante utilisés très généralement, ceci a pour effet le rétrécissement mentionné. Ce phénomène est particulièrement marque dans le cas de l'arsénuire de gallium, l'un des matériaux utilisés pour constituer les substrats, auquel l'invention n'est cependant pas limitée ; l'invention couvre également le cas des autres matériaux utilisables à cette fin, silicium et phosphure d'indium, InP, notamment.
Or l'existence d'un fort champ électrique entre grille et drain limite la différence de potentiel que l'on peut appliquer au drain par rapport à la source sans provoquer de "claquage" drain-source et, par là-même, la puissance du dispositif. On a proposé, pour résoudre cette difficulté, d'adopter une structure à paliers dans laquelle le substrat présentait une épaisseur plus grande à l'endroit du drain et où l'électrode de grille était posée sur le palier inférieur portant aussi l'électrode de source (voir "Improvment of the Drain Breakdown Voltage of GaAs Power MESFET's by a Simple
Recess Structure" IEEE Trans. Electron Device, vol. ED-25, N 6, juin 1978 par
Takashi Furutsuka et al).
Selon d'invention, la dimension de la zone active sous la grille est rendue croissante de la source vers le drain par le choix du profil du substrat semiconducteug et par la place occupée sur celui-ci par l'électrode de grille, dans les conditions qui seront précisées ci-desous. L'augmentation du potentiel drain-source, est ainsi rendue compatible avec une épaisseur de canal pratiquement constante. Le champ électrique sous la grille, responsable du mouvement des charges libres, est maintenu à peu près constant tout le long de la grille; des tensions drain-source plus élevées, et des puissances plus fortes, sont de ce fait possibles, toutes choses égales par ailleurs.
Le temps de transit des charges libres sous la grille se trouve d'ailleurs en même temps- diminué, ce qui permet des fréquences de fonctionnement plus élevées et un gain amélioré.
L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent, les mêmes repères désignant les mêmes éléments:
- figures l(a) et l(b): des vues schématiques d'un transistor à effet de champ de l'art antérieur
- figure 2 : une vue explicative concernant le transistor des figures précédentes;
- figures 3 à 7 et 9 : des vues schématiques en coupe de diverses variantes du transistor à effet de champ de l'invention;
- figure 8 : une vue explicative.
Afin de fixer les idées, on procède ci-dessous à un bref retour sur la structure générale d'un transistor à effet de champ.
Un transistor à effet de champ à jonctions dans le cas de la figure comporte, sur un substrat semiconducteur d'un type donné, une couche de type opposé; dans cette couche est pratiquée une diffusion de même type que le substrat, généralement le long d'une bande; cette dernière est reliée électriquement au substrat. Dans la couche précédente, celle de type opposé au substrat, sont réalisés des contacts; par des diffusions de même type que cette couche mais plus fortement dopées. Ces contacts constituent deux des électrodes du transistor. La figure I (a et b) illustre, en plan et en coupe, un tel transistor. Sur cette figure, en 1 est représenté le substrat, de type P dans l'exemple, en 2 la couche de type opposé N qui le recouvre, et en 3 la bande en question de même type que le substrat, c'est-à-dire le type P.Les repères 4 et 5 désignent deux contacts représentés par des traits noirs épais. Ces deux contacts qui consistent en deux diffusions N(+) sont les électrodes de source et de drain du transistor, situées aux extrémités du canal ; ce canal porte le repère 7 ; il s'étend dans la couche 2 entre le substrat et la bande diffusée 3. Dans l'exemple de la figure, on aperçoit en plus un caisson 6 isolant le transistor du reste de la pièce, et constituée d'une couche de type P comme le substrat. La figure en coupe montre les épaisseurs respectives des éléments: la partie diffusée 3, ainsi que les contacts 4 et 5, ne s'étendent dans la couche 2 que sur une fraction de sa profondeur, alors qu'au contraire le caisson 6 la traverse dans toute son épaisseur.La diffusion 3, qui rejoint le caisson à ses deux extrémités, est en contact électrique avec celui-ci et par son intermédiaire avec le substrat.
En fonctionnement, une différence du potentiel est appliquée entre le drain et la source, rendant le drain positif par rapport à la source, par exemple de + 20 volts, la grille étant, dans un mode courant de fonctionnement de ce genre de transistors, portée à un potentiel légèrement négatif par rapport à celui de la source, prise comme référence. La figure 2, en coupe, montre, sur un exemple les valeurs des différences de potentiel appliquées aux électrodes et la répartition approximative correspondante des potentiels le long du canal ; elle montre aussi la forme générale du canal en question (surface couverte de points), dans lequel circulent les charges libres, des électrons dans le cas de l'exemple. Sur la figure les trois électrodes de source, de grille et de drain, ont été désignées par leurs initiales S, G, D.La même figure montre que la zone désertée au-dessus du canal, sous la grille, a une dimension qui va en croissant vers le drain.
Afin que l'augmentation de la dimension de cette zone comme indiqué, c'est-à- dire en gros perpendiculairement au trajet des électrons dans le substrat, n'amène pas le rétrécissement observé dans l'art antérieur, le substrat lui-même est prévu, selon l'invention, d'épaisseur variable entre la source et le drain. Sur un substrat, dont la face opposée à celle qui porte les électrodes est plane, ce résultat est obtenu en donnant à cette dernière un relief et en choisissant la place de lféleçtrode de grille sur ce relief.
Divers exemples de réalisation en sont donnés ci-dessous, à titre non limitatif, à l'aide des figures 3, 4, 5, 6 et 7 dans le cas d'un transistor à barrière Schottky "MESFET" en anglais.
Dans tous ces exemples, ces électrodes consistent en des conducteurs appliqués sur le substrat, dépôts métalliques notamment présentant un contact ohmique pour la source et le drain et une barrière Schottky pour la grille. Dans ces exemples le substrat est fait d'arséniure de gallium semi-isolant sur l'une des faces duquel a été formée une couche semiconductrice de type N et les charges en mouvement sont des électrons ; l'invention s'applique tout aussi bien au cas d'un substrat en un autre matériau, silicium ou phosphure d'indium notamment, et quel que soit le type de la couche, moyennant les changements correspondants dans les potentiels appliqués.
L'invention s'applique aussi au cas de transistors à jonctions, tel que celui décrit à propos de la figure 1.
Sur toutes ces figures, qui sont des vues en coupe, analogues à celle de la figure lb, le substrat porte le repère 12; il est limité inférieurement par une surface plane; il est constitué d'un matériau isolant de l'électricité, ou semi-isolant, semiconducteur compensé notamment ; le repère Il désigne une couche tampon faiblement dopée et le repère 10 la couche utile dopée. On a conservé sur le#s figures les lettres S G D pour désigner les électrodes.
Dans l'exemple de la figure 3, la face supérieure de la couche 10 comporte deux paliers séparés par un plan incliné; l'électrode de grille est posée sur ce plan, celle de source sur le palier -inférieur et celle de drain sur le palier supérieur, comme le montre le dessin; la zone désertée -sous la grille, lorsque celle-ci est portée à un potentiel négatif, a le contour indiqué; elle est représentée couverte de croix, tandis que les électrons circulant dans le canal sont figurés par des points.
Dans l'exemple de la figure 4, les deux paliers précédents sont raccordés par une surface creuse, et l'électrode de grille couvre sur cette surface la plus grande partie de l'espace compris entre les deux paliers ; la figure 5 en est une variante avec débordement de l'électrode de grille sur le palier supérieur.
La figure 6 représente le cas d'un reliefprésentant une crête, sur les deux flancs de laquelle sont posées les électrodes de grille et de drain, tandis que la figure 7 montre le cas de deux paliers au même niveau raccordés par un sillon, l'électrode de grille occupant une partie de la surface du sillon près du drain.
La figure 8 montre le déplacement de la région de champ dans le cas d'une variante de l'invention du type de celle de la figure 3, avec débordement de l'élec- trode de grille. La longueur effective de grille 1' qui intervient de façon prépondérante dans la définition du canal est sensiblement inférieure à sa longueur comptée parallèlement au trajet des électrons. Un tel débordement peut s'appliquer utilement à tous les types de relief.
La figure 9 montre une variante de l'invention dans le cas d'un transistor (JFET) à jonctions. Sur cette figure, on distingue les trois électrodes S G D précédentes et la zone dopée 20 (P(+ sous la grille G réalisée dans la couche 21 de type N recouvrant le substrat 22 de type P.
On notera que le transistor dont il a été question présente en général des dimensions qui sont largement sub-millimétriques: l'électrode de grille est couramment d'une longueur (1 dans ce qui précède) de l'ordre du micromètre à 10 gigahertz et son autre dimension est -de quelques centaines de micromètres, son épaisseur étant inférieure au micromètre; la distance source drain est de quelques micromètres à la même fréquence. Le substrat semiconducteur sur lequel sont appliquées les électrodes présente une surface de quelques dixièmes de millimètre au carré. On loge sur un tel substrat des batteries de ces transistors qui sont montés en parallèle pour l'amplification en hyperfréquence, dans les dispositifs de télécommunication, notamment jusqu'à 20 gigahertz et au-delà.
L'invention couvre aussi les amplificateurs utilisant le transistor décrit.

Claims (8)

REVENDICATIONS
1. Transistor à effet de champ, constitué d'un substrat semiconducteur plat présentant une première face plane et, opposée à celle-ci, une seconde face sur laquelle sont disposées, alignées, les électrodes, de source, de grille et de drain, caractérisé en ce que cette seconde face présente un relief, et en ce que les électrodes en question sont disposées sur ce relief de façon que l'espace laissé libre dans le substrat pour le passage des charges libres sous l'électrode de grille lorsque, en fonctionnement, la diode qu'elle forme avec le substrat est polarisée en inverse, présente une dimension qui aille en croissant de la source vers le drain.
2. Transistor à effet de champ suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de grille est une" électrode métallique formant avec le substrat une barrière Schottky.
3. Transistor à effet de champ suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la face en relief du substrat présente deux paliers, inférieur et supérieur, sur lesquels sont disposées respectivement les électrodes de source et de drain, en ce que ces paliers sont raccordés par un plan incliné et en ce que l'électrode de grille est disposée sur ce plan.
4. Transistor à effet de champ suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la face en relief du substrat présente deux paliers, inférieur et supérieur, sur lesquels sont disposées respectivement les électrodes de source et de drain, en ce que ces paliers sont raccordés par une surface creuse, et en ce que l'électrode de grille est disposée sur cette surface.
5. Transistor à effet de champ suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'électrode de grille déborde sur le palier supérieur.
6. Transistor à effet de champ suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la face en relief du substrat présente un palier sur lequel est disposée l'électrode de source, et une crête, et en ce que l'électrode de grille est disposée sur le flanc de la crête situé du côté de l'électrode de source et l'électrode de drain sur le flanc opposé.
7. Transistor à effet de champ suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la face en relief du substrat présente deux paliers situés au même niveau, sur lesquels sont disposées les électrodes de source et de drain, en ce que ces paliers sont raccordés par un sillon, et en ce que l'électrode de grille est disposée sur une portion de ce sillon, près de l'électrode de drain.
8. Amplificateur pour hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un transistor a effet de champ suivant l'une des revendications 1 à 7.
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