Influence du courant de polarisation directe sur la conductance différentielle et le bruit de scintillation des diodes à pointe pour hyperfréquences

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Influence du courant de polarisation directe sur la

conductance différentielle et le bruit de scintillation des

diodes à pointe pour hyperfréquences

J. Munier

To cite this version:

117

INFLUENCE DU COURANT DE POLARISATION DIRECTE SUR LA CONDUCTANCE

DIFFÉRENTIELLE

ET LE BRUIT DE SCINTILLATION DES DIODES A POINTE POUR

_{HYPERFRÉQUENCES}

Par J.

_MUNIER,

Laboratoire

_{d’Électronique}

et de _{Radioélectricité,} Faculté des Sciences de Grenoble.

Résumé. 2014 Les _mesures effectuées _sur divers

types de diodes à _pointe au _{silicium pour}

hyper-fréquences montrent une variation de conductance différentielle en _{fonction du courant moyen} direct en bon accord avec la théorie classique.

Par _ailleurs, la résistance équivalente de bruit a été mesurée dans le _spectre basse _{fréquence ;} on en déduit le coefficient de bruit propre de la diode. La variation de celui-ci en fonction du courant

moyen direct et de la _fréquence ne suit la loi de Van der _{Ziel que dans la} zone des très faibles

cou-rants. Au delà, il _apparaît un _{régime apaisé.}

Des résultats _analogues ont été obtenus avec une diode à _pointe au _{germanium pour usages} courants.

Abstract. 2014 The variation of incremental conductance with

average forward current for several

types of microwave silicon _{point-contact} diodes was measured ; the results showed _{good agreement}

with the classical theory.

Furthermore, the _equivalent noise resistance was studied in the _{low-frequency spectrum} and

the noise temperature coefficient was derived. Its variation with average forward current and

frequency agrees with the Van der Ziel law _only for very small currents. When the current is in-creased, noise free conditions occur.

Analogous results were obtained for a standard _{germanium point-contact} diode.

PHYSIQUE APPLIQUÉE 23, 1962,

En vue de déterminer les meilleures conditions

d’utilisation des diodes à

_pointe

au silicium pour

hyperfréquences

dans leur

_emploi

comme

détec-teurs à bas

_niveaux,

nous avons étudié leur

compor-tement en

_présence

d’un courant continu de

polari-sation

_directe,

notamment en ce

_qui

concerne le

bruit de fond

_qu’elles

_engendrent.

Par une méthode banale de

_pont,

nous avons tout d’abord

_procédé

sur de nombreux échantillons à des mesures de résistance

différentielle

_(ou

de son

in-verse, la conductance

différentielle) ;

puis,

nous avons déterminé leur résistance

_équivalente

de bruit

à diverses

_fréquences

du

_spectre

BF au _moyen d’un

amplificateur

à

_{grand gain}

et à faible

_bruit,

suivi d’un voltmètre

_quadratique

à

_grande

constante de

temps

(20

secondes

_environ),

en

_opérant

_par

compa-raison avec des résistances

métalliques

étalonnées.

Lie

_rapport

de la seconde

_quantité

à la

_première

donne le

_coefficient

de bruit propre de la diode

qui

est fonction du courant moyen et de la

fréquence,

et d’où l’on

_peut

déduire aisément le coefficient de bruit du

_{détecteur, compte-tenu}

de sa structure.

Nous avons

_opéré

de 200 Hz à 20 kHz et dans

un domaine de

_courants

_{correspondant}

aux

condi-tions usuelles

_d’emploi

des détecteurs à bas

niveaux,

soit à courant nul et de

_0,1

à 160

micro-ampères.

Les essais ont

_porté

sur des diodes de

pro-venances et de

_types

_divers,

_{tels que :}

_1N21B,

1N21C, 1N23B, 1N31 ;

à titre

_comparatif,

nous avons

_essayé

_également

_quelques

diodes à

pointe

au

germanium

pour usages courants

(type

OA85).

Nos

_résultats,

_quant

à la variation de la conduc-tance différentielle avec le courant de

_{polarisation,}

FIG. 1.

s’avèrent fort bien concorder avec la loi

_théorique,

ainsi

_qu’en

_témoigne

la

_figure

1. Cette

_loi,

dérivée

118 A

de

_{l’équation}

de la

_{caractéristique statique}

des semi-conducteurs

est de la forme :

où

_.Io

_représente

le courant de

_polarisation

et go = aA la conductance de la diode à

l’origine

(courant

nul).

Nous avons

_porté

en échelles

_{logarithmiques}

la

quantité

(glgo - 1)

en fonction de

_Io,

ce

qui

devrait conduire à une droite de

_pente

unité :

On constate :

1 ° que la

pente

est bien

_égale

à

_l’unité,

mise à

part

une

_{courbure, apparaissant}

aux fortes valeurs

du courant _{pour certains}

_{échantillons,}

_qu’on

_peut

raisonnablement attribuer à l’influence de la

résis-tance des zones

_homogènes

du

_{semi-conducteur ;}

20 que rien ne

distingue a priori

une diode au

germanium

du

_type

OA85 de diodes au silicium pour

hyperfréquences ;

30 que le

paramètre

A a une valeur

_comprise,

pour les échantillons

essayés,

entre

_0,5

et 5

micro-ampères.

Par

_ailleurs,

les valeurs relevées pour le para-mètre _a,

_{qui n’apparaissent}

_pas sur le

_graphique,

sont

_comprises

entre 25 et _{30 par}

_{volt ; rappelons}

à ce

sujet

_{que la théorie des}

jonctions graduelles

(Shockley)

donne : a =

e jkt (soit

environ

40/volt

à

la

_{température ordinaire).}

Ces mesures de résistance différentielle n’offrent aucune difficulté et conduisent à des résultats

cohé-rents et

_{reproductibles,}

sous réserve de

_préserver

" les diodes de chocs

mécaniques, électriques

ou

ther-miques

et

_d’opérer

à

_température

relativement

constante ;

les mesures de résistance

_équivalente

de bruit

_sont,

au

_{contraire, beaucoup plus}

délicates et fort laborieuses : il est notamment _{peu aisé d’isoler} le bruit de la diode des bruits

_parasites,

_électriques

ou

_mécaniques

_(bruit

de fond des

_tubes,

effet

micro-phonique,

parasites

industriels).

Nous avons utilisé un

amplificateur

à

tubes,

alimenté _par

piles

et

accumulateurs, soigneusement blindé,

muni d’un filtre de bande et _{pourvu d’un}

_étage

d’entrée à pen-tode

_{(EF80 - 6BX6)}

dont la résistance

_équivalente

de

_bruit,

de l’ordre de 1 000 ohms au-dessus de 10

_kHz,

_atte,gnait

10 000 ohms à 200 Hz.

FIG. 2. Sur la

_{figure 2,}

nous avons

_reproduit

un

_exemple

typique

de réseau de courbes de variation de la résistance

_équivalente

de bruit

_Requ

d’une diode au

silicium en fonction du courant de

_polarisation

_Io,

pour diverses valeurs de la

fréquence,

portées

en

paramètre.

Nous _y avons

_{représenté également}

la

courbe de résistance interne

_(ou

_{différentielle)}

_p de

la diode considérée. De ces

_courbes,

on

_peut

déduire

le coefficient de bruit :

dont il

_importe

de connaitre la variation en

fonc-tion de la

_fréquence

et

du

courant.

FIG. 3.

auteurs

_{[2], [3], [6], [8], [9], [10],}

tant _{par voie}

théorique

qu’expérimentale,

du moins dans le cas

de filaments semi-conducteurs soustraits de

l’action.

perturbatrice

des contacts avec le métal des

élec-trodes ;

on semble actuellement s’en tenir à la

for-mule établie par Van der Ziel :

dans

_laquelle

le

_premier

terme

_représente

le bruit

thermique,

le second terme le bruit de scintillation

(flicker effect)

et le

_troisième,

le bruit de

_grenaille

(shot effect).

Le bruit en

1 if

est

_{prépondérant}

aux

fréquences

très

_{basses ;}

c’est ce _{que confirme la}

figure

3 où

nous avons

_représenté

la variation de

_(t

_{- 1)}

en

fonction de la

_fréquence

_{pour deux diodes}

dis-tinctes et _pour l’une d’entre

_elles,

à deux valeurs de courant très différentes

₍₅

et 100

_{microampères).}

Nos résultats concordent

_parfaitement

avec la

for-mule de

Van

der Ziel en ce

_qui

concerne la

dépen-dance vis-à-vis de

_{f ;}

au delà de

_{quelques kilohertz,}

on

_perçoit

l’influence du bruit de

_grenaille.

Par

_ailleurs,

nous

_plaçant

à la

_fréquence

de

1

_kHz,,

_pour

_laquelle

seul

intervient

_pratiquement

le bruit de

_{scintillation,}

nous avons étudié

l’in-fluence du courant de

_polarisation

directe

_{Io :}

cette

influence

_apparaît

sur la

figure

4 où nous avons

porté

le

_{produit f (t -1)}

en fonction de ce

_courant,

pour

sept

échantillons différents de diodes à

_pointe.

L’examen de ces courbes nous conduit aux

re-marques suivantes :

10 aux faibles valeurs de courant

_direct,

une loi

de la forme :

s’impose

incontestablement ; k

est de l’ordre de 10

FIG. 4.

à 100

_kHz/yA2

pour des diodes à

pointe

au silicium

pour

hyperfréquences,

tombe à 2

kHz/yA2

pour

une diode de même

_type

_ayant

subi des

surcharges

et enfin à

_0,4

_kHz/uA2

_pour une diode à

_pointe

au

120 A

20 aux fortes valeurs du courant

_direct,

la loi

devient :

f(t -1

J = k’Ing

où

_{l’exposant n}

très variable d’un échantillon à l’autre est

_compris

entre

_0,25

et

_{0,75 ;}

3° la zone de

transition, qui

s’étend sur un module environ de l’échelle

_{logarithmique}

du

cou-rant,

semble encadrer la valeur du

_{paramètre A}

de

l’équation

statique

qui, rappelons-le,

représente

la valeur

_{asymptotique théorique}

du courant inverse.

Nous ne donnerons pas

d’interprétation

de ces

phénomènes mais,

par

contre,

nous attirons

l’atten-tion sur la similitude de

_comportement

des diodes à

_pointe

et des diodes à vide en ce

_qui

concerne le

bruit de scintillation et sa

_dépendance

vis-à-vis de

la

_fréquence

et du courant. On

_connaît,

en

parti-culier,

l’influence limitative de la

_{charge d’espace}

sur les fluctuations en basse

fréquence

de l’émission

thermoionique,

influence

_qui

se manifeste

préci-sément par le _passage d’une loi en 12 aux faibles

courants à une loi à

_exposant

moins élevé aux forts

courants

_{[4], [7], [13]. Toutefois,}

il semble exclu

que cette similitude soit la

conséquence

d’une

ana-logie quelconque

dans les mécanismes

_respectifs

de

formation du bruit de scintillation.

En

_conclusion,

nous observerons que la

formule

de Van der

Ziel,

valable

_peut-être

sans restriction pour des filaments semi-conducteurs ou même _pour de

_{simples jonctions PN,}

ne

_s’applique

au cas

com-plexe

des diodes à

_{pointe que,dans}

le domaine des très faibles

_courants,

un

_régime

_apaisé

intervenant

ensuite aux valeurs

_plus

élevées.

Manuscrit reçu le 13 avril 1962.

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