Thyristor.
La présente invention concerne les dispositifs semiconducteurs et, en particulier, les dispositifs de commutation semi-conducteurs commandés connus sous le nom de thyristors.
Les thyristors sont des commutateurs semi-conducteurs qui empêchent le courant de passer dans un ou plusieurs sens jusqu'à ce qu'un courant de déclenchement ou de commutation y
<EMI ID=1.1>
Après ce déclenchement, le thyristor peut conduire des courants importants avec des pertes de tension faibles. Comme le dé-clenchement exige le passage d'un courant par la �orte, ces thyristors ont une impédance d'entrée relativement faible. Dans certaines applications, cette faible impédance d'entrée n'est pas souhaitable et des thyristors comportant des portes à haute impédance sont préférables.
Au dessin annexé :
la Fig. 1 est une vue en coupe d'un dispositif semiconducteur suivant l'invention;
la F�g. 2 est une vue semblable à celle de la Fig. 1 montrant une variante du dispositif représenté sur la Fig. 1. EXEMPLE 1.-
Un thyristor ou redresseur commandé au silicium 10 suivant l'invention est représenté sur la Fig. 1. Le thyristor 10
<EMI ID=2.1>
cium,, comportant des surfaces supérieure et inférieure opposées
14 et 16, respectivement. Le corps 12 est par exemple une partie d'une grande pastille de silicium dans laquelle d'autres composants sont formés, comme dans un circuit intégré.
Le thyristor 10 comprend plusieurs régions de conductivité de types différents comportant des jonctions PN entre elles. Ainsi, le thyristor de cette forme d'exécution comprend une première région 18 du type de conductivité N, une seconde région 20 et une troisième région 22 du type de conductivité P
<EMI ID=3.1>
régions 13 et 20 sont adjacentes l'une à l'autre et comportent
<EMI ID=4.1>
tivement, avec la surface supérieure.
La surface supérieure 14 porte une couche 32 d'une matière isolante diélectrique telle que de l'oxyde de silicium.
Une électrode conductrice 34 traverse la couche diélectrique 32 et établit un.contact ohmique avec la seconde région 20. Une autre électrode conductrice 36 traverse la couche diélectrique
<EMI ID=5.1>
Dans la mesure décrite plus haut, le thyristor 10 est semblable à des redresseurs semi-conducteurs commandés classiques et connus. La région 18 est la base N du redresseur commandé, la région 20 est l'émetteur P, la région 22 est la base P, et la région 24 est l'émetteur N. L'électrode conductrice 34 est l'anode et l'électrode conductrice 36 est la cathode.
Le thyristor 10 représenté sur la Fig. 1 diffère des thyristors classiques par le fait qu'au lieu d'avoir une électroconductrice en contact ohmique direct avec une des régions de base du thyristor, par exemple une électrode classique formant porte, le thyristor 10 contient une électrode de commande 40 couplée de façon capacitive à la région de base 18. D'une manière spécifique, l'électrode 40 est disposée sur la face supérieure de la couche diélectrique 32 et recouvre une partie de la première région 18 entre les régions 20 et 22. De plus, l'électrode 40 recouvre les points d'interception jonction-surface 43 et 44
des deux jonctions PH 26 et 28 respectivement.,
D'une manière connue, les thyristors classiques sont enclenchés par application d'une tension de polarité appropriée à une électrode formant porte connectée de façon ohmique à une région de base adjacente à une région d'émetteur du thyristor. La tension appliquée polarise en sens passant la jonction formée entre ces deux régions et, pour un thyristor classique présentant la relation de conductible des diverses régions du thyristor 10
<EMI ID=6.1>
çon ohmique à la base P, des électrons sont injectés de l'émetteur N dans la base P, diffusent dans la base P et dérivent dans la couche d'épuisement à la jonction formée entre la base P et la base N. Les électrons s'accumulent dans la base N jusqu'à ce qu'ils surmontent la tension de polarisation à la jonction
<EMI ID=7.1>
électrons sont injectés de la base N dans l'émetteur P. Des
trous "pénètrent" de l'anode dans l'émetteur P, sont injectés dans la base N, diffusent dans la jonction entre les bases P et N, dérivent dans la couche d'épuisement entre ces bases et pénètrent dans la région P où ils peuvent s'accumuler pour polariser en sens passant la jonction émetteur N-base P. Dès que les trous provenant de l'émetteur P commencent à atteindre la base P, exécutant ainsi la fonction de la tension de déclenchement de la porte qui est de polariser la jonction en sens passant, le processus devient autoentretenu et le thyristor reste conducteur même après suppression de la tension de déclenchement.
<EMI ID=8.1>
duit lorsqu'une tension de polarité et d'amplitude adéquate est appliquée à l'électrode de commande 40 pour inverser la conductivité d'une partie mince ou canal 46 (indiqué en traits pointillés sur la Fig. 1) de la base N 18 à la surface 14 du corps 12 directement en dessous de l'électrode 40. C'est-à-dire qu'en appliquant une tension négative suffisamment importante à l'électrode
40, on repousse des électrons en nombre suffisant d'une partie supérieure de la base N 18 et les trous sont attirés vers la
dite partie pour la convertir en un "canal" 46 de conductivité P. La longueur du canal 46,suivant la longueur de l'électrode 40, est de préférence prévue pour aller de l'émetteur P 20 situé d'un
côté à la base P 22 située do l'autre côté. Dans ce cas, un trajet conducteur pour les trous est établi par le canal 46 entre l'émetteur P 20 et la base P 22 et il sert à Introduire les trous dans la base P 22. C'est-à-dire que le canal 46 court-circuite effectivement la jonction rétropolarisée 28 entre les deux bases 16 et 22 et établit un trajet ohmique pour les trous traversant la jonction
28. Ces trous polarisent la jonction émetteur-base 30 en sens
<EMI ID=9.1>
24 dans la base 22 ce qui, comme dans le cas du déclenchement des thyristors classiques mentionnés plus haut, produit un mode
de fonctionnement auto-entretenu qui commute le thyristor d'un état de blocage, c'est-à-dire un état non passant,à un état passant, c'est-à-dire conducteur. C'est-à-dire que dès que les trous de l'émetteur P atteignent la base P 22 par l'intermédiaire du
<EMI ID=10.1>
en sens passant, le thyristor 10 est effectivement amené à son état conducteur et la tension de déclenchement peut être supprimée de l'électrode 40.
Comme les trous qui pénètrent dans la couche d'épuisement près de la jonction 28 entre la base N 18 et la base P 22 sont injectés par le champ de la zone d'épuisement dans la base P 22,
la région 46 du canal ne doit aller que jusqu'au bord de cette couche d'épuisement. Cependant, comme la largeur de la couche d'épuisement dépend, entre autres choses, de l'amplitude de la tension appliquée à l'anode 34, tension qui est soumise à des variations dépendant de la manière dont le thyristor 10 est mis en oeuvre, l'électrode 40 est normalement conçue pour atteindre au moins le point d'interception de surface 44. de la jonction 28
et le recouvrir.
L'amplitude de la tension de déclenchement nécessaire
<EMI ID=11.1>
le courant de déclenchement nécessaire est fonction de la constante diélectrique et de l'épaisseur de la couche diélectrique 32 entre l'électrode 40 et la région de base 18, de la conductivité de la région de base 18 près de la surface 14 et de l'état d'emmagasinage de la charge associée à la couche 32.
La quantité de courant nécessaire pour amener le thyristor sur conduction est déterminée par les mêmes facteurs que ceux qui déterminent la quantité de courant de porte nécessaire pour amener un thyristor classique sur conduction. Par exemple, si le thyristor représenté sur la Fig. 1 était classique, c'est-à-dire
<EMI ID=12.1>
un courant de déclenchement donné, déterminé selon les techniques de base des thyristors, serait nécessaire. Ce courant, de durée donnée, et pour une tension anode-cathode donnée également, polarise en sens passant la base P 22 par rapport à l'émetteur N 24, comme décrit plus haut. Pour amener le thyristor 10 sur conduction, en utilisant l'électrode de commande 40, il faut injecter un courant de déclenchement semblable dans la région de base 22, ce courant étant cependant fourni par l'intermédiaire du canal 46 à partir de la région P 20.
<EMI ID=13.1>
<EMI ID=14.1>
EXEMPLE 2.-
<EMI ID=15.1>
ture prévue à travers couche diélectrique 32. Vu avantage de
<EMI ID=16.1>
<EMI ID=17.1>
impédance d'entrée si l'électrode de commando 40 est utilisée pour faire passer le thyristor sur conduction, ou un mode à basse
<EMI ID=18.1>
plus, le thyristor peut être utilisé comme un circuit-porte ET, exigeant des impulsions coïncidentes sur l'électrode de commande
40 et la porte 52 pour faire passer le thyristor sur conduction, chaque impulsion étant en elle-même insuffisante pour faire passer le thyristor sur conduction.
De plus, en polarisant convenablement la porte 52, par exemple au potentiel de l'émetteur N 24 ou à un potentiel négatif, on diminue nettement la sensibilité au passage sur conduction du thyristor, empêchant ainsi tout passage accidentel du thyristor sur conduction. Ainsi, dans ce mode de fonctionnement, le thyristor est semblable, quant à ses caractéristiques, aux thyristors connus du type "à émetteur en court-circuit". Au contraire, en prévision du passage du thyristor sur conduction, si l'on enlève ou si l'on polarise la porte 52 en sens passant, on augmente sensiblement la sensibilité du thyristor au passage sur conduction réduisant ainsi le signal requis sur l'électrode de commande 40 pour faire passer le thyristor sur conduction.
Dans ce mode de fonctionnement, le thyristor est donc supérieur aux thyristors à émetteur en courtcircuit qui, en raison des particularités de structure qui rendent ces thyristors moins sensibles à un passage accidentel sur conduction, ont une sensibilité au passage sur conduction relativement faible.
REVENDICATIONS.
<EMI ID=19.1>
rieur du corps formant deux régions d'émetteur, une région do base P et une région de base N, les régions de base étant adjacentes l'une à l'autre et étant disposées entre les deux régions d'émetteur, une première électrode conductrice connectée de manière ohmique à une des régions d'émetteur seulement, une seconde électrode conductrice connectée de manière ohmique à l'autre région d'émetteur seulement, caractérisé en ce qu'une troisième électrode conductrice est connectée de manière capacitive à une des régions de base pour former, lorsqu'une tension appropriée est appliquée à cette troisième électrode, un canal traversant la première région de base d'une conductivité opposée à celle de cette région de base
<EMI ID=20.1>
la première région de base.
Thyristor.
The present invention relates to semiconductor devices and, in particular, to controlled semiconductor switching devices known as thyristors.
Thyristors are semiconductor switches that prevent current from flowing in one or more directions until a triggering or switching current y
<EMI ID = 1.1>
After this triggering, the thyristor can conduct high currents with low voltage losses. Since tripping requires a current to flow through the gate, these thyristors have a relatively low input impedance. In some applications, this low input impedance is undesirable and thyristors with high impedance gates are preferable.
In the attached drawing:
Fig. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to the invention;
the F � g. 2 is a view similar to that of FIG. 1 showing a variant of the device shown in FIG. 1. EXAMPLE 1.-
A silicon controlled thyristor or rectifier 10 according to the invention is shown in FIG. 1. The thyristor 10
<EMI ID = 2.1>
cium ,, having opposite upper and lower surfaces
14 and 16, respectively. The body 12 is for example a part of a large silicon wafer in which other components are formed, as in an integrated circuit.
The thyristor 10 comprises several regions of conductivity of different types having PN junctions between them. Thus, the thyristor of this embodiment comprises a first region 18 of the N conductivity type, a second region 20 and a third region 22 of the P conductivity type.
<EMI ID = 3.1>
regions 13 and 20 are adjacent to each other and include
<EMI ID = 4.1>
tively, with the upper surface.
The upper surface 14 carries a layer 32 of a dielectric insulating material such as silicon oxide.
A conductive electrode 34 passes through the dielectric layer 32 and establishes ohmic contact with the second region 20. Another conductive electrode 36 passes through the dielectric layer.
<EMI ID = 5.1>
To the extent described above, thyristor 10 is similar to conventional and known controlled semiconductor rectifiers. Region 18 is the N base of the controlled rectifier, region 20 is the P emitter, region 22 is the P base, and region 24 is the N emitter. The conductive electrode 34 is the anode and the conductive electrode 36 is the cathode.
The thyristor 10 shown in FIG. 1 differs from conventional thyristors in that instead of having an electric conductor in direct ohmic contact with one of the base regions of the thyristor, for example a conventional gate electrode, thyristor 10 contains a control electrode 40 coupled in such a manner. capacitive to the base region 18. Specifically, the electrode 40 is disposed on the upper face of the dielectric layer 32 and covers part of the first region 18 between the regions 20 and 22. In addition, the electrode 40 covers the junction-surface interception points 43 and 44
of the two PH junctions 26 and 28 respectively.,
In a known manner, conventional thyristors are switched on by applying a voltage of appropriate polarity to a gate electrode connected ohmically to a base region adjacent to an emitter region of the thyristor. The applied voltage polarizes in the passing direction the junction formed between these two regions and, for a conventional thyristor having the conductive relationship of the various regions of the thyristor 10
<EMI ID = 6.1>
Ohmic lesson at the base P, electrons are injected from the emitter N into the base P, diffuse in the base P and drift in the depletion layer at the junction formed between the base P and the base N. The electrons s 'accumulate in the base N until they overcome the bias voltage at the junction
<EMI ID = 7.1>
electrons are injected from the base N into the emitter P.
holes "penetrate" from the anode into the emitter P, are injected into the base N, diffuse into the junction between the bases P and N, drift into the depletion layer between these bases and enter the region P where they can build up to forward bias the N-base P emitter junction. As soon as the holes from the P emitter start to reach the P base, thus performing the gate trigger voltage function of biasing the junction in the on direction, the process becomes self-sustaining and the thyristor remains on even after removal of the trigger voltage.
<EMI ID = 8.1>
output when a voltage of the correct polarity and amplitude is applied to the control electrode 40 to reverse the conductivity of a thin portion or channel 46 (indicated by dotted lines in Fig. 1) of the base N 18 to the surface 14 of the body 12 directly below the electrode 40. That is to say, by applying a sufficiently large negative voltage to the electrode
40, sufficient electrons are repelled from an upper part of the base N 18 and the holes are attracted towards the
said part to convert it into a "channel" 46 of conductivity P. The length of the channel 46, depending on the length of the electrode 40, is preferably provided to go from the emitter P 20 located at a
side to base P 22 located on the other side. In this case, a conductive path for the holes is established by the channel 46 between the transmitter P 20 and the base P 22 and it serves to introduce the holes in the base P 22. That is to say the channel 46 effectively short-circuits the back-polarized junction 28 between the two bases 16 and 22 and establishes an ohmic path for the holes crossing the junction
28. These holes polarize the emitter-base junction 30 in the direction
<EMI ID = 9.1>
24 in base 22 which, as in the case of the triggering of conventional thyristors mentioned above, produces a mode
of self-sustaining operation which switches the thyristor from a blocking state, that is to say a non-conducting state, to a conducting state, i.e. a conducting state. That is, as soon as the holes of the emitter P reach the base P 22 through the
<EMI ID = 10.1>
in the on direction, the thyristor 10 is effectively brought to its conductive state and the trigger voltage can be removed from the electrode 40.
As the holes which penetrate into the exhaustion layer near the junction 28 between the base N 18 and the base P 22 are injected by the field of the exhaustion zone into the base P 22,
the region 46 of the channel should go only to the edge of this exhaustion layer. However, since the width of the stripping layer depends, among other things, on the magnitude of the voltage applied to the anode 34, which voltage is subject to variations depending on how the thyristor 10 is operated. , the electrode 40 is normally designed to reach at least the point of surface interception 44. of the junction 28
and cover it.
The magnitude of the trigger voltage required
<EMI ID = 11.1>
the required trigger current is a function of the dielectric constant and the thickness of the dielectric layer 32 between the electrode 40 and the base region 18, the conductivity of the base region 18 near the surface 14 and the state of storage of the charge associated with layer 32.
The amount of current needed to bring the thyristor on is determined by the same factors that determine the amount of gate current needed to bring a conventional thyristor on. For example, if the thyristor shown in FIG. 1 was classic, that is to say
<EMI ID = 12.1>
a given trigger current, determined according to basic thyristor techniques, would be required. This current, of given duration, and for a given anode-cathode voltage also, polarizes in the passing direction the base P 22 relative to the emitter N 24, as described above. To bring the thyristor 10 on, using the control electrode 40, a similar trigger current must be injected into the base region 22, this current, however, being supplied through the channel 46 from the region P 20.
<EMI ID = 13.1>
<EMI ID = 14.1>
EXAMPLE 2.-
<EMI ID = 15.1>
ture provided through dielectric layer 32. Considering the advantage of
<EMI ID = 16.1>
<EMI ID = 17.1>
input impedance if the commando electrode 40 is used to switch the thyristor to conduction, or a low mode
<EMI ID = 18.1>
furthermore, the thyristor can be used as an AND gate circuit, requiring coincident pulses on the control electrode
40 and the gate 52 to make the thyristor pass on conduction, each pulse being in itself insufficient to make the thyristor pass on conduction.
In addition, by suitably polarizing the gate 52, for example at the potential of the emitter N 24 or at a negative potential, the sensitivity to the passage on conduction of the thyristor is markedly reduced, thus preventing any accidental passage of the thyristor on conduction. Thus, in this mode of operation, the thyristor is similar, as regards its characteristics, to known thyristors of the "emitter in short-circuit" type. On the contrary, in anticipation of the passage of the thyristor on conduction, if one removes or if one polarizes the gate 52 in the on direction, one appreciably increases the sensitivity of the thyristor to the passage on conduction thus reducing the signal required on the electrode. control 40 to switch the thyristor to conduction.
In this operating mode, the thyristor is therefore superior to thyristors with a short-circuited emitter which, because of the structural features which make these thyristors less sensitive to accidental switching to conduction, have a relatively low sensitivity to switching to conduction.
CLAIMS.
<EMI ID = 19.1>
inside the body forming two emitter regions, a base region P and a base region N, the base regions being adjacent to each other and being disposed between the two emitter regions, a first conductive electrode ohmically connected to one of the emitter regions only, a second conductive electrode ohmically connected to the other emitter region only, characterized in that a third conductive electrode is capacitively connected to one of the regions of base to form, when an appropriate voltage is applied to this third electrode, a channel passing through the first base region of a conductivity opposite to that of this base region
<EMI ID = 20.1>
the first base region.