5.2 Où trouve-t-on des NDRs ?
N
ous présentons dans cette partie les principaux dispositifs exploitant les NDRs : les diodes à effet tunnel, les diodes IMPATT et les diodes à effet Gunn que l’on retrouve fréquemment dans les circuits électroniques d’oscillateurs hautes fréquences. 5.2.1 Diodes à effet tunnelLes diodes à effets tunnel consistent en des jonctions pn présentant une résistance différentielle négative : lorsqu’on augmente la tension de polarisation directe, le courant diminue. Elles sont également nommées diodes Esaki en hommage à leur découvreur, Leo Esaki, qui montra des effets tunnel dans ces dispositifs pour la première fois en 1958 [5]. Il reçut le prix Nobel en 1973 pour cette découverte qui eut un impact important dans la physique des semiconducteurs et la compréhension de l’effet tunnel dans les solides [6].
Une diode à effet tunnel est donc une simple jonction pn dont les deux côtés n et p sont dégénérés (figure5.1a) : le niveau de Fermi est soit situé dans la bande de valence du côté p, soit situé dans la bande de conduction côté n. La transition entre ces deux régions est très abrupte et de faible épaisseur pour que la probabilité de passage par effet tunnel soit suffisante. De plus, à la même énergie, il faut que des électrons soient disponibles dans la bande de conduction et des trous disponibles dans la bande de valence.
(a) (b) (c) (d) (e)
Figure 5.1: Schéma des bandes énergétiques d’une diode à effet tunnel et caractéristiques IV
correspondant [2]. a) A l’équilibre, sans polarisation. b) Polarisation directe jusqu’à atteindre un pic de courant, puis, c), un minimum. d) Le courant de diffusion domine ensuite avec l’augmentation de la polarisation. e) Augmentation du courant sous polarisation indirecte.
Lorsqu’on applique une polarisation directe (figure5.1b), il existe des niveaux communs d’énergies remplis du coté n et vides du côté p. Les électrons peuvent passer du côté n vers
p par effet tunnel et le courant augmente jusqu’à un maximum : le courant de pic. Plus
on augmente la tension de polarisation, plus la bande commune d’états remplis côté n et non remplis côté p diminue et moins il y a d’électrons passant à travers la barrière (i.e.
5.2. Où trouve-t-on des NDRs ?
le courant diminue, figure 5.1c). Lorsque la polarisation est telle que le bas de la bande de conduction côté n est au même niveau que le haut de la bande de valence côté p, il n’y a plus d’états à remplir en face des états pleins. Il n’y a donc plus de courant tunnel, on atteint un minimum dans la caractéristique IV : le courant de vallée. En continuant d’augmenter la polarisation, le courant de diffusion domine comme dans le cas d’une confi-guration classique et le courant total augmente (figure 5.1d).
En cas de polarisation inverse, comme nous pouvons le voir sur la figure 5.1e, les élec-trons transitent par effet tunnel de la bande de valence côté p vers la bande conduction côté n. Sous cette configuration, le courant augmente indéfiniment et on ne rencontre pas de NDR.
Originellement trouvée par Esaki sur du Ge [5], des diodes à effet tunnel furent égale-ment mises au point dans les années qui suivirent sur d’autres matériaux semiconducteurs tels que GaAs [7], InSb [8], Si [9], InAs [10], GaSb [11] ou encore InP [12]. Ces systèmes sont cependant peu employés dans des applications en raison des difficultés de fabrication et de reproductibilité. D’autres dispositifs plus performants ont été mis au point depuis, tels que les diodes IMPATT ou diodes à effet Gunn, et sont devenus communs dans les technologies actuelles.
5.2.2 Diodes à effet tunnel résonant
Les NDRs dans les diodes à effet tunnel résonant (appelée également diode à double barrière) furent prédites par Tsu and Esaki [13] en 1973 et la première structure d’une telle diode fut montrée par Chang et al. [14] en 1974. La combinaison de matériaux la plus commune pour la confection de telles diodes est GaAs/AlGaAs. Dans ces hétérostructures, la discontinuité des bandes de valences et de conduction permet la formation de puits quantiques avec des niveaux d’énergies discrets. (figure 5.2).
Figure5.2: Exemple de diode à effet tunnel résonant avec une hétérostructure GaAs/AlGaAs. Le
schéma des bandes énergétiques montre la formation d’un puit quantique à niveaux quantifiés [2].
De telles structures permettent théoriquement d’obtenir des caractéristiques IV présen-tant plusieurs NDRs (figure5.3a). L’effet tunnel résonnant se manifeste lorsqu’une particule doit traverser successivement deux barrières de potentiel, reliées par un ou plusieurs états
5.2. Où trouve-t-on des NDRs ?
discrets permis (figure5.3a) . De façon similaire à la diode tunnel, une polarisation directe peut amener un état du puits quantique au même niveau que le bas de la bande de conduc-tion dite "émettrice". L’électron peut donc transiter par effet tunnel à travers la première barrière et occuper l’état libre dans le puits. De là, les électrons peuvent passer, par effet tunnel à travers la deuxième barrière, sur les états vides de la bande de conduction oppo-sée dite "collectrice" (figure5.3b). On observe alors une augmentation du courant jusqu’au courant de pic (figure 5.3a). Si l’on continue d’augmenter la polarisation, il n’existe plus pendant un certain temps d’états de même énergie entre la bande de conduction émet-trice et les états dans le puits, le courant diminue (figure 5.3c). En abaissant les barrières d’avantage, un autre états du puits peut à nouveau coïncider avec la bande de conduction émettrice et on a à faire à une seconde émission tunnel (figure 5.3d) jusqu’à se retrouver à nouveau dans la configuration où il n’y a plus d’états de même énergie (figure 5.3e). On peut alors observer un second pic de NDR dans le IV.
(a)
(b) (c) (d) (e)
Figure 5.3: a) Caractéristique IV d’une diode à effet tunnel résonant et schémas des bandes
énergétiques correspondant à l’état sans polarisation. Evolution des bandes énergétiques en fonction de la polarisation : b) Effet tunnel résonant sur le premier niveau E1. c) Transition entre les niveaux
E1 et E2 du puits quantique, il n’y a plus de niveaux communs entre la bande de conduction
émettrices et les niveaux dans le puits : apparition d’une première NDR. d) Effet tunnel résonnant avec le niveau E2. e) E2est inférieure à la bande de conduction émettrice, apparition d’une seconde
NDR [2].
En pratique, le second pic de NDR est rarement observé en raison de sa faible intensité. Puisque l’effet tunnel est un phénomène intrinsèquement très rapide, les diodes à effets tunnel résonant peuvent avoir des fréquences de fonctionnement très élevées allant jusqu’à 700GHz [15] et même 1.3T Hz [16]. Elles sont par exemple utilisées dans des circuits à déclenchements rapides et de génération d’impulsions [17]. Néanmoins, elles ne permettent pas de conduire des courants élevés et ont une puissance de sortie limitée.
5.2. Où trouve-t-on des NDRs ?
5.2.3 Diodes IMPATT
Les diodes à avalanche et temps de transit (IMPact ionization Avalanche Transit Time) sont des dispositifs à NDR présentant des capacités de puissance élevées. La géométrie d’une telle diode est basée sur une jonction pn en polarisation inverse avec une couche intrinsèque hautement résistive (figure5.4)
Figure5.4: Structure d’une diode IMPATT.
Le fonctionnement de ce dispositif peut être expliqué comme suit : Soient V0 la tension continue appliquée à la diode et Va l’amplitude du signal alternatif injectés à l’entrée de la diode (figure 5.5a). La polarisation est telle que des paires électrons-trous sont créées pendant l’alternance positive du signal alternatif. Le phénomène d’ionisation par chocs n’étant pas instantané, un pic de porteurs est créé à la fin de l’alternance positive (figure
5.5b). Les trous sont collectés dans la couche P+ alors que les électrons sont injectés dans la zone de transit produisant, pendant le temps nécessaire aux électrons pour atteindre le contact N+, un courant dans le circuit extérieur (figure5.5c).
(a)
(b) (c)
Figure 5.5: Fonctionnement d’une diode IMPATT [18]. a) Tension à l’entrée de la diode. b)
Courant à l’extrêmité de la zone d’avalanche. c) Courant induit dans le circuit extérieur.
La résistance négative est la conséquence des deux sources de retard suivant l’appli-cation de la tension : le délai de déclenchement de l’avalanche et le temps de transit non négligeable et inversement proportionnel à la longueur de la zone i [2]. En raison de ce dé-lai, le courant continue d’augmenter alors que la tension diminue, on a donc un phénomène de résistance négative.
5.2. Où trouve-t-on des NDRs ?
Les diodes IMPATT sont actuellement parmi les sources compactes de fréquences micro-ondes les plus répandues. Elles peuvent générer des signaux avec une grande puissance de sortie à des fréquences généralement comprises entre 30 et 300 GHz.
5.2.4 Diodes à effet Gunn
Egalement appelée diode à transfert d’électrons, la diode Gunn (effet mis en évidence en 1963 [19]) est basée sur le fait que dans certains semiconducteurs la caractéristique de vitesse de dérive des électrons en fonction du champ électrique présente un effet de mobilité différentielle négative. Elles sont fabriquées à partir d’un seul morceau de semiconducteur à gap direct de type n et les matériaux les plus communs sont l’arséniure de gallium, GaAs et phosphure d’indium, InP . Le dispositif final est tout simplement un barreau de type n avec des contact fortement dopés de type n+.
Dans le cas, par exemple, de GaAs et InP , le bas de la bande de conduction présente des minimums (ou vallées) distincts selon certaines directions dans l’espace réciproque. Deux d’entre-elles sont appeléesΓ et L dans la direction 111 (figure5.6) et sont séparées de ΔE. Si ils se trouvent dans la vallée d’énergie inférieure Γ, les électrons possèdent une masse effective faible et une mobilité élevée. A l’inverse, s’ils sont dans la vallée d’énergie supérieure L, ils auront une masse effective plus élevée et une mobilité plus faible.
Figure5.6: Schéma des bandes énergétique de GaAs et InP [2]. La vallée de conduction la plus
basse est à k= 0 (Γ ) et la vallée haute est selon la direction 111 (L).
Si on augmente la tension de polarisation, les électrons peuvent acquérir assez d’énergie pour être transférés de la valléeΓ à la vallée L. Ces électrons auront alors une plus petite vitesse de dérive en raison de l’augmentation de leur masse effective et le courant diminue avec l’augmentation de la polarisation, faisant apparaître une NDR dans la caractéristique IV.
5.3. NDRs et nanofils de Silicium
Pour certaines valeurs du champ au sein de la NDR, il peut y avoir localement un ralentissement de la vitesse moyenne des porteurs et donc une accumulation de charges tandis que la zone adjacente dans le semiconducteur est dépeuplée : il y a alors formation d’un dipôle et la densité de porteurs le long de la diode devient instable. Ce dipôle transite alors de la cathode vers l’anode. En gardant alors une tension de polarisation fixe, on peut ainsi générer un signal alternatif allant jusqu’à 100GHz.
De façon analogue aux diodes Gunn, il existe des dispositifs dits à transfert d’électrons dans l’espace réel. Il s’agit là de mettre en contact des matériaux semiconducteurs dans lesquels les électrons auront des mobilités différentes. Le tout premier dispositif de ce type fut mis au point par Kastalsky et al. [20] en 1984 selon une hétérostructure GaAs/AlGaAs avec une variation du dopage entre les différentes couches.