T ES éléments électroniques à
semi-conduc-L
leurs el, en particulier, les transistors ont été d"abord réalisés au moyen de germanium, puis on a employé le silicium qui permettait de préparer un grand nombre de composants ayant des propriétés beaucoup plus étendues cl qui ne sont pas limitées, comme pour le germanium, par la tempéra-ture d'utilisation ou la fréquence de fonction-nement. Mais, on a songé depuis longtemps à employer des éléments semi-conducteurs différents et très divers. dont certains ne sont même plus minéraux. mais organiques.Ces études ont eu pour but. non seulement d"obtcnir des résultats de plus en plus remar-quables au point de vue électronique, mais d"établir des composants de dimensions de plus en plus réduites et aussi. s'il est possible, de moins en moins coûteux.
La réalisation d'éléments minuscules et peu coûteux permettrait d'envisa5er des trans-formations spectaculaires des fabrications électroniques, en particulier, d'établir des ordinateurs miniaturisés si réduits qu'ils pour-raient être utilisés dans une salle de classe, pour les usages domestiques et même assurer la sécurité des automobiles.
Le guidage des engins astronautiques qui voguent vers la Lune est déjà complètement assuré par de merveilleux ordinateurs minia-turisés qui suscitent l'admiration, maïs dont les prix de revient ne les mettent pas, suivant l'expression vulgaire, ,, à la portée de toutes les bourses ! »
Dans ce domaine, l'annonce récente des recherches entreprises aux Etats-Unis par un inventeur autodidacte Stanford R. Ovshincky, de Troy (Michigan), a auiré spécialement l"auention, en raison du caractère absolument insolite du produit semi-conducteur proposé, qui n'est autre que le verre, matière bien connue et d"utilisation courante depuis de nombreux siècles.
La découverte de nouveaux produits per-mettant la fabrication de transistors transfor-més permettrait ainsi, si elle était réelle. d'en-visager aussi bien la construction de calcu-lateurs à l'usage familial, que de supprimer les tubes cathodiques-images des téléviseurs pour les remplacer par des panneaux muraux, sur lesquels viendraient s'inscrire les ima5es lumineuses en noir e1 blanc, ou en couleurs, comme sur un écran de cinéma.
Ces nouveaux éléments surprenants, réa-lisés à l"aide de verre scmi-conduc1eur et baptisés ovoniques par leur inventeur. seraient des contacteurs à semi-conducteur d'un genre nouveau, puisqu·ils seraient formés de semi-conducteurs non plus cristaUins, mais amor-phes, et pourraient cependant être utilisés sur une gamme de tensions très étendue depuis environ 2,5 jusqu·à 300 '(, ou même davan-ta,;e, et fonctionneraient avec des délais très
·écluits, de !"ordre de pico-secondes; de plus, :e qui les distinguerait des transistors, leur fonctionnement serait bilatéral; ils pourraient donc fonctionner dans les deux sens.
Ces éléments curieux possédent aussi des propriétés· qui les distingueraient encore
davan-tage des transiswrs classiques; ils seraient, en_ effet? insensibles aux radiations et pour-raient, a ce titre, être employés facilement, aussi bien dans les engins spatiaux que pour les applications militaires sans craindre l'effet de radiaiions nucléaires.
Cette propriété est importante pour la réa-lisation des fusées anti-missiles, sur laquelle l'attention se porle à !"heure actuelle et qui comportent des montages élec1roniques extrê-mement complexes. qui échapperaient ainsi aux risques de trouble produits par les champs radioactib.
Pour comprendre lïntérêt de; questions posées e1 les possibilités d"un tel disposi1if si, du moins, les premiers résultais sont confir-més, il est nécessaire, tout d'abord, de définir les propriétés habituelles du verre et ses carac1éristiques physiques très particuliércs, qui le faisaient considérer jusqu'ici comme un corps amorphe, ne pe1metta111 pas d"cnvisagcr des applications électroniques de ce genre.
LE VERRE : MATlERE MYSTERIEUSE La fabrication du verre est l'une des plus vieilles industries humaines et l'on auribue au hasard sa découverte: le verre éiait déjà suivant leur mode de solidification, c'est-à-dire suivant la manière dont ils passent de
!"état liquide à l'état solide.
La plupar1 des corps, lorsqu'ils sont soli-·
difiés par refroidissement, aprés avoir été fondus, forment des cristaux, mais d"autres moins nombreux, peuvent devenir solides sans prendre la forme cris1alline e1 consti1uen1 ce qu'on appelle des corps vitreux, dont le verre est un exemple par1iculiérement intéressant.
Ces corps vitreux ont été pendant long-temps négligés, mais les recherches modernes ont amené des pcrfec1i<1nncmcnts considé-rables de la technique de fabrication du verre;
au point de vue physique, ils sont donc surtout remarquables par les différences de propriétés qui les distinguent des cristaux. compositions dont l'opacité es1 variable sous
!"action de la lumière; mais, au point de vue théorique, les phénomènes complexes qui déterminent les qualités du verre et la vitrifi-cation ne sont pas connues exactement.
li est, d"ailleurs, inexac1 de considérer le verre comme une substance part,cuhere.
analogue à un métal ou au bois, bien que les corps différents. Les physiciens le considèrent comme une sorte d'état limite entre l"éia1 solide c1 l'é1at liquide, et plus proche même de ce dernier.
De très nombreux corps, on le sait maù1tc-nant. peuvent. dans certaines conditions, être préparés à !"état vitreux, mais on n'a pas encore déterminé comment une substance devient vitreuse. Certains groupes de matériaux se solidifient facilement dans cc1 état: pour d'autres, la transformation est beaucoup plus difficile e1 pour une troisième catégorie. elle
Ceue 1ransparence varie suivant les lon-gueurs d'onde des radiations ; un verre de sulfure es1 surtout 1ransparent aux rayons infra-rouges, tandis qu'un verre de silicate transme1 la lumière du jour, qu"il soit, d'ailleurs, cristallin ou vitreux.
Mais la structure de l'état vitreux détermine cependant les propriétés mécaniques, élec-triques et ioniques des verres. Dans un verre
Les plus récentes recherches peuvent faire penser que les verres seraiem composés d'une multitude de micro-cristaux orien1és dans des directions -difTérentes les uns par rapport
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Page 35aux autres. L 'ét,it vitreux serait ainsi déterminé par la multiplication d"un très grand nombre de minuscules cristaux, qui donneraient lïllu-sion d"un milieu inor ;anisé et isotope.
Inversement. certain, physiciens prétendent que les verre, sont formes par un réseau continu mais prcsentant des irré,;ularités de st1 uctui c: d"autres. enfin. pensent à un compromis et admettent !"existence de grains et de défauts de structure de la matière.
L'état vitreux serait ainsi. en fait. un état cristallin plus ou moins imparfait; les connais-sance:. sur la nature du verre restent. en tout télé-vision et des oscilloscopes, d"enrobage protec-teur de très nombreu11: éléments. tels que des relais ou des résistances. la réalisation de tubes redresseurs à grande puissance, des tubes d"émission, etc. Mais, jusqu'ici, le verre était uniquement utilisé en raison de ses qua-lités de protection et d'isolement thermique et électrique, car, au point de vue électrique, proportions très faibles ou dopants, qui déter-minent, non seulement l'importance de la conductivité, mais également le caractère positif ou négatif du semi-conducteur, c'est-à-dire la conduction assurée par des électrons pmduire des radiations ionisantes. qui peuvent :nodrlicr des phenomênes périodiques.
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La rési,tivité des verres est déterminée pa1 le, constituants du composé vitrel111'.; clic peut I aricr depuis 100 ohms/cm jusqu'à 10 111.ohms/cm. L"addition de petites quantités dïmpureté, pouvant atteindre un pourcentage d..: quelques parties pour 100 a peu d'efTct sur la conductivité l!ll partie par suite de la présence d"étals localisés dans la bande d'énergie interdite et, en partie parce que dans un verre, tous les électrons disponibles peuvent être déplacés en masses. De la même manière, conductibilité ionique; celle-ci varie beaucoup suivant la composition du verre et les additifs actuel-lement l'attention sur le verre consiste, comme nous l"avons no,é plus haut, dans la découverte récente de S. R. Ovishinsky; elle a montré que les matériaux amorphes pouvaient passer de l'état isolant à l'état conducteur en un délai très court de 1,5 x 1Q·10 seconde.
Lorsqu·on étudie ainsi les propriétés élec-triques du verre, on constate évidemment qu'elles sont difTérentes de celles des semi conducteurs ordinaires, silicium et germanium La courbe caractéristique représentant les variations du courant par rapport à la tension électrique, de libérer des porteurs de telle sorte que le matériau peul avoir des propriétés réversibles et peut devenir sélectivement non conducteur et conducteur. carbone ayant une surface de contact approxi-mative de 10-• cm 2•
Si le pourcentage d'arsenic est réduit à 5 %, l'élément présente, comme nous le verrons, des propriétés de mémoire. Après avoir été retiré de l"état non conducteur ou d"arrêt, l'état conducteur ou de passage, est maintenu, même si le courant d"excitation est supprimé.
Pour assurer le retour à l'état d'arrêt. une im-pulsion de courant convenable d"une polarité difTérente est appliquée sur l'élément.
En pratique le matériau constituant l'Ovonic est donc placé entre deux électrodes. sur lesquelles une tension est appliquée. Cette tension exerce une poussée sur les porteurs de charges captées, qui sont des électrons, comme on le voit sur les figures 2 et 3. Pour une cer-taine tension critique, un certain nombre de ces porteurs de charges sont, en quelque sorte, arrachés en dehors de leurs cavités, et assurent l'état isolant du matériau, qui avait auparavant les qualités analogues à celles d"un métal, avec
+
FtG. 3.
un grand nombre de porteurs de charges libres.
Cela permet un déplacement facile des porteurs de charges à partir d'une électrode dans le matériau semi-conducteur. et en dehors dans l'autre électrode.
Une fois un trajet de ces porteurs établi, et un déplacement obtenu, il se produit une véri-table avalanche de ces porteurs, et la résistance du semi-conducteur s'abaisse à quelques ohms. En réalité, tout le phénomène est extrê-mement rapide et ne dure tuère que 150 picosecondes.
L'état conducteur est maintenu, jusqu'à ce que le courant s"abaisse au-dessous d'un niveau donné, de 1·ordre, par exemple, de 0.5 mA, et ensuite le matériau revient à son état de résis-tance élevée. Si la tension est alternative, le courant passe dans la direction opposée jusqu'au moment où, une tension critique est atteinte dans l'alternance opposée.
Lorsque ! 'élément contacteur devient conducteur, il permet immédiatement le pas-sage du courant maximum, et c'est ce que montre une étude réalisée facilement avec un oscilloscope.
La réalisation d'un élément de ce type est, en réalité, très simple si on la compare à celle des éléments semi-conducteurs habituels. Cet élément que l'on pourrait plutôt appeler sandwich. avec une couche de métal vaporisée, une couche de verre, et finalement une autre couche de métal formant l'électrode supérieure (Fig. 2).
Les électrodes sont généralement métal-liques, mais elles peuvent être constituées par d'autres matériaux. tels que le graphite et les verres peuvent être de composition variées.
Dans l'élément réalisé par l'inventeur. le verre contient du tellure, de l'arsenic, du sili-cium et du germanium, comme nous l'avons noté plus haut, mais, dans d'autres laborawires, on a observé le même phénomène avec du triséléniure amorphe d'arsenic.
La préparation industrielle des nouveaux matériaux est relativement simple et peu coûteuse. Les produits chimiques sont pesés.
mélangés avec une palette. et placés ensuite dans un four pendant vingt-quatre heures jusqu'au moment de la fusion en une masse de verre opaque de couleur gris ambre.
Le fonctionnement de l'Ovistor peut être considéré, lorsqu'il agit comme contacteur.
comme dépendant de sa caractéristique ten-sion-courant, mais le fonctionnement dit bistable, ou comme mémoire du système, est dü à une conversion d'énen1.ie.
Lorsque la tension aux bornes de l'élément augmente depuis une valeur nulle, le courant s'accroît également lentement et d'une manière ohmique, jusqu'à une tension critigue Ve.
jusque là, l'élément présente une resis1ance élevée de l'ordre du mégohm. Une fois celte valeur Ve dépassée, la résistance s'abaisse
!rés rapidement, jusqu'à quelques ohms.
Dans le premier cas, la résistance élevée cor-respond à l'étal d'arrêt, la résistance faible à l'état de passage, et le système est bien un conducteur au système astable.
Le système dit bistable est obtenu, lorsque la tension peut être supprimée et appliquée de nouveau sans variation de l'état du système, tandis que l'élément peut revenir à l'état d'arrêt sous l'action d'une tension élevée, sous l'impulsion d'un courant intense.
L'élément peut donc jouer le rôle, comme mémoire des ordinateurs actuels.
La facilité de fabrication, les dimensions 1rés réduites, la consommation très faible, la rapi-dité très grande de commutation des Ovistors permet d'envisager ainsi des applications très intéressantes pour un grand nombre d'appli-cations.
LES APPLICATIONS VARIEES Le contacteur astable constitue par J'OviMor avec tension critique présente, de même. des etats dïmpedance élevée ou très faible. Lorsque la tension appliquée augmente au-delà de la valeur critique, l'élément devient conducteur : une fois cette valeur dépassée, il I aisse passage au courant dans un délai qui ne dépasse pas, comme nous J'avon noté, 1,5 x 10-10 s.
Lorsque le courant est réduit au dessous d'une valeur caractéristique constituant le courant de maintien, l'élément revient à l'etat
Ce contacteur astable peut recevoir des ap-plications dans tous les montages où il faut obtenir une coupure ou une ouverture et une fermeture rapides des circuits, lorsqu'il y a des tensions transitoires, lorsqu'il faur supprimer les arcs dans les générateurs et autres formes d"êlé ments produisant des ondes de difîérentes formes, sans compter les usages militaires. sur lesquels on ne possède evidemment pas d'in-dications précises.
LI s·a5it donc, essentiellement, pour 1e 1110·
ment, d'un système contacteur nouveau et remarquable, plutôt que d'un dispositif suscep-tible de remplacer les transistors habituels dans leurs différentes applications et, surtout.
comme amplificateur.
Mais, même dans le domaine. radio et télé-vision, on entrevoit dejà des applications sur-prenantes, en particulier, pour la constitution des écrans de télévision électro-lumincseents comportant plusieurs centaines ou plusieurs milliers d'éléments distincts, qui doivent être compte des possibilités pratiques offertes, dés à present, par cet élément surprenant.
li comporte, comme nous l'avons noté une masse minuscule avec deux conducteurs ou deux bornes de connexion et le fonctionnement varie brusquement lorsque la tension atteint un certain niveau : il joue ensuite le rôle d'un
des application importantes dans les ordina-teurs. Il est, en efîet. beaucoup plus réduit que les diodes utilisées actuellement. et son action est bilatérale.
Mais, il peut contrôler. en fait, beaucoup plus d'énergie que celle qui agit sur lui. Supposons par exemple. que nous désirions alimenter une ampoule d'éclairage de 6,5 V, nécessitant une énergie de 2 W. et que nous disposions d'un signal de commande de I V. par exemple.
produit par un générateur à fréquence musicale.
ou d'un signal amplifié provenant d"un vibra-teur, avec un courant de l'ordre de quelques milliampères, pour obtenir le fonctionnement et la fermeture du contacteur. circuit, à la lampe à incandescence.
L'élément peut être realisé de façon à comporter toute valeur critique désiree, entre 3 et 300 V ; il peut donc être employé pour
laisser passage à d'importantes c=:xes d'énergie, avec des impulsions de co~-a:;de trés faibles, sur la gamme du milh" au.
li peut aussi être utilisé comme un contrôles de phase, pour couper l'alimentat10n d"un
~-=-cuit ou d'un appareil quelconque.
Si à un élément ayant une tension critique conducteurs verticaux transparents d'un côté.
une couche mince de matériau Ovonique jouant le rôle de contacteur à tension limite, et une couche élec1ro-luminescente au milieu.
comme le montre la figure 5.
Des conducteurs horizontaux, très rappro-chés les uns des autres, seraient enfin disposés de l'autre côté de la paroi pour terminer la réalisation de l'écran.
Fn appliquant une tension négative conve-nable à un conducteur horizontal, une tension positive â un conducteur vertical, on déter-minerait le fonctionnement du matériau ovo-nique au point d'intersection, en produisant ainsi une tache lumineuse, analogue au spot d'un écran de tube-image cathodique habituel.
A J'aide d'un dispositif de balayage. il serait ainsi possible d'obtenir l'image de télévision.
tout au moins, en se contentant, tout d'abord.
d'une définition relativement faible.
L'OVISTOR AMPLIFICATEUR A première vue, cet élément cunew.
para:
être uniquement un dispositif contacteur fonc-tionnant par !Out ou rien. e1 qui ne peut
rue
utilisé pour l'amplification musicale. par exemple, pour laquelle le signal ampl ·e do~