EP1459388A1 - INTERRUPTEUR BIDIRECTIONNEL COMMANDÉ EN TENSION - Google Patents

INTERRUPTEUR BIDIRECTIONNEL COMMANDÉ EN TENSION

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Publication number
EP1459388A1
EP1459388A1 EP02799855A EP02799855A EP1459388A1 EP 1459388 A1 EP1459388 A1 EP 1459388A1 EP 02799855 A EP02799855 A EP 02799855A EP 02799855 A EP02799855 A EP 02799855A EP 1459388 A1 EP1459388 A1 EP 1459388A1
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EP
European Patent Office
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box
type
region
thyristor
conductivity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02799855A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Michel Simonnet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STMicroelectronics SA
Original Assignee
STMicroelectronics SA
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Filing date
Publication date
Application filed by STMicroelectronics SA filed Critical STMicroelectronics SA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D18/00—Thyristors
    • H10D18/80—Bidirectional devices, e.g. triacs 
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/101—Integrated devices comprising main components and built-in components, e.g. IGBT having built-in freewheel diode
    • H10D84/131—Thyristors having built-in components
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/60—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D10/00 or H10D18/00, e.g. integration of BJTs
    • H10D84/676—Combinations of only thyristors

Definitions

  • the present invention relates to the field of medium-power bidirectional switches and for example bidirectional switches connectable to the electrical network, capable of withstanding voltages of several hundred volts.
  • the triac has the advantage of being able to withstand voltages according to one or the other polarity, that is to say being able to be placed directly in a circuit supplied by an alternating network. and also has the advantage of being able to be controlled by a positive or negative trigger signal.
  • a disadvantage of the triac is that it is controlled by injecting a current. In many cases, it would be preferable for this control to be carried out by a voltage, that is to say that the triac becomes conductive when the voltage applied to its control terminal becomes greater, in absolute value, than a determined threshold.
  • a known solution to overcome this drawback is to have in series with the trigger terminal a triac a diac, or bidirectional Shockley diode, which becomes conducting when the voltage at its terminals exceeds a determined threshold.
  • a triac a diac, or bidirectional Shockley diode, which becomes conducting when the voltage at its terminals exceeds a determined threshold.
  • an object of the present invention is to provide a monolithic component of the triac type with voltage control.
  • the present invention provides a monolithic component of the voltage-controlled triac type, formed in a substrate of a first type of conductivity, comprising a first and a second vertical thyristor, a first main electrode of the first thyristor, of the side of the front face of the component, corresponding to a first region of the first type of conductivity formed in a first box of the second type of conductivity, said first box corresponding to a first main electrode of the second thyrist, the first box containing a second region of the first type of conductivity; and a pilot structure comprising, on the side of the front face, above an extension of a region of second main electrode of the second thyristor, a second box of the second type of conductivity containing third and fourth regions of the first type of conductivity, the third region and a portion of the second box being connected to a trigger terminal, the fourth region being connected to the second region.
  • the component is surrounded at its periphery by a wall of the second type of conductivity extending from one face to the other of the component.
  • the first box on the side of the front face, has an extension which surrounds the second box.
  • FIG. 1 represents a embodiment of a bidirectional switch according to the present invention
  • FIG. 2 is intended to explain the triggering of a bidirectional switch according to the present invention in the quadrants Ql and Q4
  • FIG. 3 is intended to explain the triggering of a bidirectional switch according to the present invention in the quadrants Q2 and Q3
  • FIG. 1 represents a embodiment of a bidirectional switch according to the present invention
  • FIG. 2 is intended to explain the triggering of a bidirectional switch according to the present invention in the quadrants Ql and Q4
  • FIG. 3 is intended to explain the triggering of a bidirectional switch according to the present invention in the quadrants Q2 and Q3
  • FIG. 4 shows the mounting of a bidirectional switch according to the present invention in an application to a light dimmer
  • Figure 5 is a simplified top view of an embodiment of a bidirectional switch according to the present invention.
  • a monolithic bidirectional voltage-controlled switch according to the present invention is produced in a portion 1 of a lightly doped N-type semiconductor substrate delimited by a highly doped P-type isolation wall 2.
  • the component comprises a switch structure proper corresponding to thyristors Thl and Th2.
  • This structure comprises, on the side of the lower face, a P-type layer 3 in a part of which is formed an N + type region 4 and, on the side of the upper face, a P-type box 5 in which is formed an N + type region 6.
  • the thyristor Thl comprises from its anode to its cathode portions of regions and layers 3-1-5-6.
  • the thyristor Th2 comprises from its anode to its cathode portions of the regions and layers 5-1-3-4.
  • the entire underside of the component is coated with a metallization Ml connected to a first main terminal Al of the switch, this terminal A1 being intended to be connected to an alternating voltage.
  • the upper faces of the box 5 and of the N + 6 region are covered with a metallization M2 connected to a terminal A2 constituting the second main terminal of the component and normally connected to ground.
  • the present invention provides on the one hand an additional region 8 of type N + formed in the box 5 of type P and coated with a metallization M3. Note that this metallization M3 is only in contact with the additional region 8 and not with the box 5.
  • the present invention provides a pilot structure comprising on the side of the upper face a box 11 of type P in which are formed from distinct regions 12 and 13 of type N + . Region 13 is coated with an M4 metallization. The region 12 and part of the upper surface of the box 11 are coated with a metallization M5 connected to a gate terminal G.
  • the component comprises various means intended to ensure its resistance to tension.
  • a certain lateral distance from the box N is left free between the peripheral wall 2 and the lateral ends of the elements described above of the switch and of the pilot structure.
  • this free zone is preferably provided an N + type ring 15 having a channel stop function, this ring possibly being coated with a metallization not connected to an external terminal.
  • one outside the box 11 of the pilot area is provided a box P 16 connected to earth like the box P 5.
  • this box 16 constitutes an extension of the box 5 which surrounds the box 11.
  • the outer periphery of the wells P 5 and 16 is bordered by a lightly doped P-type ring 17.
  • FIG. 2 illustrates the operation of a switch according to the present invention controlled in the quadrant Ql, that is to say when the terminal Al is positive with respect to the terminal A2 and the voltage on the trigger is positive. In this configuration, it is the main thyristor Thl which is capable of being turned on.
  • FIG. 3 illustrates the operation of the device according to the present invention in the second quadrant, that is to say when the electrode Al is positive with respect to the electrode A2 and the trigger electrode is negative with respect to the electrode A2.
  • quadrant Q3 in which the electrode Al is negative with respect to the electrode A2, and in which a negative voltage is applied to the trigger, there is a similar operation with regard to the triggering of the lateral thyristor SCR2 but this times it is the thyristor Th2 which is put into conduction, the generation of carriers in the substrate unblocking the junction between the substrate 1 and the layer 3 of type P.
  • FIG. 4 represents an example of application of a component according to the present invention to the production of a light dimmer.
  • An alternating voltage is connected to terminal A1 by means of a load L, for example an electric bulb with a power of one hundred watts, terminal A2 being connected to ground and constituting the second terminal of the supply voltage.
  • the alternating voltage is also applied to the trigger terminal G via an adjustable resistor R.
  • the trigger is also connected to ground via a capacitor C.
  • the capacitance C is gradually charged with a time constant which depends on the setting of the resistance R.
  • FIG. 5 is a simplified top view of an embodiment of a bidirectional switch according to the present invention.
  • the same elements as in Figure 1 are designated by the same references.
  • the box 16 constitutes an extension of the box 5 which surrounds the box 11.

Landscapes

  • Thyristors (AREA)

Abstract

L'invention concerne un composant de type triac à commande en tension, formé dans un substrat (1) de type N, comprenant un premier et un deuxième thyristor vertical (Thl, Th2), une première électrode (A2) du premier thyristor, du côté de la face avant du composant, correspondant à une première région (6) de type N formée dans un premier caisson (5) de type P, le premier caisson correspondant à une première électrode (A2) du deuxième thyristor, le premier caisson contenant une deuxième région (8) de type N ; et une structure pilote compre­nant, au-dessus d'un prolongement d'une région (4) de deuxième électrode du deuxième thyristor, un deuxième caisson (11) de type P contenant des troisième et quatrième régions de type N, la troisième région (12) et une portion du deuxième caisson (11) étant reliées à une borne de gâchette (G), la quatrième région (13) étant reliée à la deuxième région (8).

Description

INTERRUPTEUR BIDIRECTIONNEL COMMANDE EN TENSION
La présente invention concerne le domaine des interrupteurs bidirectionnels de moyenne puissance et par exemple des interrupteurs bidirectionnels connectables sur le réseau électrique, susceptibles de supporter des tensions de plusieurs centaines de volts.
Parmi les interrupteurs bidirectionnels de moyenne puissance connus, le triac présente l'avantage de pouvoir supporter des tensions selon l'une ou l'autre polarité, c'est-à- dire de pouvoir être placé directement dans un circuit alimenté par un réseau alternatif et présente en outre l'avantage de pouvoir être commandé par un signal de gâchette positif ou négatif. Toutefois, un inconvénient du triac est que sa commande se fait par injection d'un courant. Dans de nombreux cas, on préférerait que cette commande soit effectuée par une tension, c'est-à-dire que le triac devienne conducteur quand la tension appliquée à sa borne de commande devient supérieure, en valeur absolue, à un seuil déterminé.
Une solution connue pour pallier cet inconvénient est de disposer en série avec la borne de gâchette d'un triac un diac, ou diode de Shockley bidirectionnelle, qui devient passant quand la tension à ses bornes dépasse un seuil déterminé. Toutefois, malgré les nombreuses tentatives effectuées, on ne sait pas réaliser de façon commercialement exploitable 1 ' intégration monolithique d'un triac et d'un diac.
Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un composant monolithique de type triac à commande en tension.
Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un composant monolithique de type triac à commande en tension, formé dans un substrat d'un premier type de conductivité, comprenant un premier et un deuxième thyristor vertical, une première électrode principale du premier thyristor, du côté de la face avant du composant, correspondant à une première région du premier type de conductivité formée dans un premier caisson du deuxième type de conductivité, ledit premier caisson correspondant à une première électrode principale du deuxième thyris- tor, le premier caisson contenant une deuxième région du premier type de conductivité ; et une structure pilote comprenant, du côté de la face avant, au-dessus d'un prolongement d'une région de deuxième électrode principale du deuxième thyristor, un deuxième caisson du deuxième type de conductivité contenant des troisième et quatrième régions du premier type de conductivité, la troisième région et une portion du deuxième caisson étant reliées à une borne de gâchette, la quatrième région étant reliée à la deuxième région.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le composant est entouré à sa périphérie d'un mur du deuxième type de conductivité s 'étendant d'une face à 1 'autre du composant .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, du côté de la face avant, le premier caisson comporte une extension qui entoure le deuxième caisson.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la périphérie externe du premier caisson et de son extension est entourée d'un anneau faiblement dopé du deuxième type de conductivité . Cet objet, ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente un mode de réalisation d'un interrupteur bidirectionnel selon la présente invention ; la figure 2 est destinée à expliquer le déclenchement d'un interrupteur bidirectionnel selon la présente invention dans les quadrants Ql et Q4 ; la figure 3 est destinée à expliquer le déclenchement d'un interrupteur bidirectionnel selon la présente invention dans les quadrants Q2 et Q3 ; la figure 4 représente le montage d'un interrupteur bidirectionnel selon la présente invention dans une application à un gradateur de lumière ; et la figure 5 est une vue de dessus simplifiée d'un mode de réalisation d'un interrupteur bidirectionnel selon la présente invention. Comme l'illustre la figure 1, un interrupteur bidirectionnel monolithique à commande en tension selon la présente invention est réalisé dans une portion 1 d'un substrat semiconducteur faiblement dopé de type N délimitée par un mur d' isolement 2 fortement dopé de type P. Le composant comprend une structure d'interrupteur proprement dite correspondant à des thyristors Thl et Th2. Cette structure comprend, du côté de la face inférieure, une couche 3 de type P dans une partie de laquelle est formée une région 4 de type N+ et, du côté de la face supérieure, un caisson 5 de type P dans lequel est formée une région 6 de type N+. Ainsi, le thyristor Thl comprend de son anode à sa cathode des portions des régions et couches 3-1-5-6. Le thyristor Th2 comprend de son anode à sa cathode des portions des régions et couches 5-1-3-4.
Toute la face inférieure du composant est revêtue d'une métallisation Ml reliée à une première borne principale Al de l'interrupteur, cette borne Al étant destinée à être connectée à une tension alternative. Les faces supérieures du caisson 5 et de la région N+ 6 sont recouvertes d'une metallisation M2 reliée à une borne A2 constituant la deuxième borne principale du composant et normalement connectée à la masse.
Pour réaliser une commande en tension de cet interrupteur, la présente invention prévoit d'une part une région supplémentaire 8 de type N+ formée dans le caisson 5 de type P et revêtue d'une metallisation M3. On notera que cette métalli- sation M3 est seulement en contact avec la région supplémentaire 8 et non pas avec le caisson 5. En outre, la présente invention prévoit une structure pilote comprenant du côté de la face supérieure un caisson 11 de type P dans lequel sont formées des régions distinctes 12 et 13 de type N+. La région 13 est revêtue d'une metallisation M4. La région 12 et une partie de la surface supérieure du caisson 11 sont revêtues d'une metallisation M5 reliée à une borne de grille G.
En outre, le composant comprend divers moyens destinés à assurer sa tenue en tension. Une certaine distance latérale du caisson N est laissée libre entre le mur périphérique 2 et les extrémités latérales des éléments décrits ci-dessus de l'interrupteur et de la structure pilote. Dans cette zone libre est de préférence prévu un anneau 15 de type N+ ayant une fonction d'arrêt de canal, cet anneau étant éventuellement revêtu d'une metallisation non connectée à une borne externe. De plus, à 1 ' extérieur du caisson 11 de la zone pilote est prévu un caisson P 16 relié à la masse comme le caisson P 5. En vue de dessus, ce caisson 16 constitue une extension du caisson 5 qui entoure le caisson 11. La périphérie externe des caissons P 5 et 16 est bordée d'un anneau 17 faiblement dopé de type P.
Le fonctionnement de 1 ' interrupteur bidirectionnel à commande en tension selon la présente invention dans les quatre quadrants possibles de déclenchement va maintenant être expliqué en relation avec les figures 2 et 3. La figure 2 illustre le fonctionnement d'un interrupteur selon la présente invention commandé dans le quadrant Ql, c'est-à-dire quand la borne Al est positive par rapport à la borne A2 et que la tension sur la gâchette est positive. Dans cette configuration, c'est le thyristor principal Thl qui est susceptible d'être rendu passant.
Quand la tension sur la borne de gâchette G devient supérieure à la somme de la chute de tension en direct de la diode correspondant à la jonction entre le caisson P 11 et la région N+ 13 et de la tension d'avalanche de la diode Zener correspondant à la jonction en inverse entre la région 8 de type N+ et le caisson P 5, un courant circule de la metallisation M5 vers la metallisation M4, de la metallisation M3 vers la metallisation M4, et de la metallisation M3 vers la metallisation M2. Ce courant provoque la mise en conduction d'un thyristor pilote latéral SCR1 dont l'anode correspond au caisson 11 et la cathode à la région 6, c'est-à-dire qui comprend les régions et couches 11-1-5-6. L'amorçage du thyristor pilote SCR1 entraîne la génération de porteurs au niveau de la jonction entre le substrat 1 et le caisson 5, et donc l'amorçage du thyristor principal Thl (3-1-5-6) .
Dans le quatrième quadrant, dans lequel la tension sur la gâchette est positive et dans lequel la borne Al du triac est négative par rapport à la borne A2, on a un fonctionnement simi- laire à celui du premier quadrant en ce qui concerne le déclenchement du thyristor pilote SCR1. Toutefois, étant donné la polarisation des électrodes principales, la mise en conduction du thyristor pilote SCR1 déclenche la mise en conduction du thyristor Th2. La figure 3 illustre le fonctionnement du dispositif selon la présente invention dans le deuxième quadrant, c'est-à- dire quand l'électrode Al est positive par rapport à l'électrode A2 et que 1 ' électrode de gâchette est négative par rapport à l'électrode A2. Alors, dès que la tension négative sur la borne G dépasse un certain seuil, un courant circule de la borne A2 à la borne G en passant par le caisson 5, la jonction en direct entre ce caisson et la région 8, la liaison entre la metallisation M3 et la metallisation M4, la jonction en inverse entre la région 13 et le caisson 11, et circule dans le caisson 11 vers la metallisation M5 sous la région 12. Du fait de la résistance du caisson P sous la région 12, il se crée une chute de tension qui, quand elle dépasse 0, 6 volts rend conductrice la jonction PN+ 11-12. Ceci entraîne l'amorçage d'un thyristor latéral SCR2 dont 1 ' anode correspond au caisson P 5 et la cathode à la région 12 de type N+ et qui comprend les régions et couches 5-1-11-12. La mise en conduction de ce thyristor pilote crée une génération de porteurs au niveau de 1 ' interface entre le caisson 5 et le substrat 1 et entraîne la mise en conduction du thyristor Thl.
Dans le quadrant Q3, dans lequel 1 'électrode Al est négative par rapport à l'électrode A2, et dans lequel une tension négative est appliquée sur la gâchette, on a un fonctionnement similaire en ce qui concerne le déclenchement du thyristor latéral SCR2 mais cette fois ci c'est le thyristor Th2 qui est mis en conduction, la génération de porteurs dans le substrat débloquant la jonction entre le substrat 1 et la couche 3 de type P.
La figure 4 représente un exemple d'application d'un composant selon la présente invention à la réalisation d'un gradateur de lumière. Une tension alternative est connectée à la borne Al par l'intermédiaire d'une charge L, par exemple une ampoule électrique d'une puissance d'une centaine de watts, la borne A2 étant connectée à la masse et constituant la deuxième borne de la tension d'alimentation. La tension alternative est également appliquée à la borne de gâchette G par l'intermédiaire d'une résistance réglable R. La gâchette est également connectée à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur C. Ainsi, au début d'une alternance, la capacité C se charge progressivement avec une constante de temps qui dépend du réglage de la résistance R. Quand la tension sur le condensateur C atteint la tension de seuil positive ou négative correspondant à la tension d'une diode en direct et d'une diode en inverse, l'un ou l'autre des thyristors Thl ou Th2 entre en conduction selon la polarité de l'alternance considérée. On a ainsi réalisé très simplement un gradateur avec un seul composant semiconducteur. On notera que le déclenchement se fait dans le quadrant Ql ou dans le quadrant Q3 selon que l'alternance considérée est positive ou négative. Etant donné que les dopages des caissons P 5 et 11 et des régions N+ 8 et 13 sont respectivement identiques, le seuil de conduction est sensiblement identique pour les alternances négatives et pour les alternances positives.
Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de 1 ' art . Notamment, en ce qui concerne la dimension des divers éléments, il sera clair que les figures sont très schématiques et que la plus grande partie de la surface du composant est occupée par la structure d'interrupteur correspondant aux thyristors Thl et Th2 et que la surface du caisson pilote est relativement faible. De plus tous les types de conductivité pourraient être inversés, les polarisations des diverses tensions étant modifiées en conséquence.
La figure 5 est une vue de dessus simplifiée d'un mode de réalisation d'un interrupteur bidirectionnel selon la présente invention. Dans cette figure, de mêmes éléments qu'en figure 1 sont désignés par de mêmes références. Dans le mode de réalisation illustré, le caisson 16 constitue une extension du caisson 5 qui entoure le caisson 11.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composant monolithique de type triac à commande en tension, formé dans un substrat (1) d'un premier type de conductivité, comprenant : un premier et un deuxième thyristor vertical (Thl, Th2) , une première électrode principale (A2) du premier thyristor, du côté de la face avant du composant, correspondant à une première région (6) du premier type de conductivité formée dans un premier caisson (5) du deuxième type de conductivité, ledit premier caisson correspondant à une première électrode princi- pale (A2) du deuxième thyristor, le premier caisson contenant une deuxième région (8) du premier type de conductivité ; et une structure pilote comprenant, du côté de la face avant, au-dessus d'un prolongement d'une région (4) de deuxième électrode principale du deuxième thyristor, un deuxième caisson (11) du deuxième type de conductivité contenant des troisième et quatrième régions du premier type de conductivité, la troisième région (12) et une portion du deuxième caisson (11) étant reliées à une borne de gâchette (G) , la quatrième région (13) étant reliée à la deuxième région (8) .
2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est entouré à sa périphérie d'un mur du deuxième type de conductivité (2) s 'étendant d'une face à l'autre du composant .
3. Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce que, du côté de la face avant, le premier caisson (5) comporte une extension (16) qui entoure le deuxième caisson (11) .
4. Composant selon la revendication 3 , caractérisé en ce que la périphérie externe du premier caisson et de son extension est entourée d'un anneau (17) faiblement dopé du deuxième type de conductivité.
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