FR2541512A1 - Thyristor auto-protege par eclatement distant - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN THYRISTOR AUTO-PROTEGE PAR ECLATEMENT DISTANT. CE THYRISTOR COMPORTE UN PUITS 34 FORME DANS UNE PREMIERE REGION DE BASE 114 ET PENETRANT DANS CETTE REGION DE BASE D'UNE DISTANCE PREDETERMINEE. UNE SECONDE REGION DE BASE A UNE LARGEUR W SOUS LE PUITS, INFERIEURE A LA LARGEUR DU RESTE DE CETTE REGION DE BASE DE MANIERE QUE:W W L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A DES THYRISTORS DECLENCHES PAR DE LA LUMIERE.
Description
THYRISTOR AUTO-PROTEGE PAR ECLATEMENT DISTANT
La présente invention se rapporte au domaine des thyristors de puissance et concerne plus particulièrement des thyristors de puissance déclenchés par la lumière et
leur protection contre une surtension.
La figure 1 représente un transistor 10 de type antérieur, déclenché par la lumière, et auto-protégé
contre les surtensions.
Le thyristoir 10 est auto-protégé contre une
surtension par le mécanisme d'avalanche.
Le thyristor 10 peut être décrit en regard d'un
thyristor de configuration N+P+NP+.
Le thyristor 10 comporte une région 12 de cathode-
émetteur de type N+, une région 14 de cathode-base de type P+, une région 16 d'anode-base de type N et une région
18 d'anode-émetteur de type P+.
Une jonction PN 20 est formée entre la région 12 de cathode-émetteur et la région 14 de cathode-base, une jonction PN 22 entre la région 14 de cathode-base et la région 16 d'anode-base et une jonction PN 24 entre la
région 16 d'anode-base et la région 18 d'anode-émetteur.
Une électrode d'émetteur 26, normalement en aluminium, est fixée sur la région 12 de cathode-émetteur et connectée _ électriquement à la région 14 de cathode-base, o la région 14 de cathode-base atteint la surface supérieure 28 du
thyristor 10.
Une seconde électrode 30, servant d'électrode d'anode-émetteur est fixée sur la surface inférieure 32 du thyristor 10. Le thyristor 10 comporte un puits 34 formé à sa surface supérieure 28 et pénétrant dans la région 14 de cathode-base. La région 14 de cathode-base est déformée le long du fond du puits et cette partie 36 de la région 14 le long du fond du puits 34 pénètre dans la région 16
d'anode-base davantage que la partie 38 de la région 14.
La partie 38 de la région 14 est la partie de cette région 14 qui s'étend depuis le point 40 jusqu'au bord 42
du thyristor 10.
Dans le composant antérieur de la figure 1 ? qui est protégé contre la surtension par le mécanisme d'avalanche, la largeur WN de la région entre les jonctions de blocage du thyristor sous le puits est critique Dans cet exemple de la technique antérieure de la figure 1, il s'agit de la largeur WN de la région 16 au-dessous du puits 34
mesurée entre la jonction PN 22 et la jonction PN 24.
Pour que le thyristor 10 soit auto-protégé contre une surtension, la relation suivante doit être respectée WD + 2 Lp < w N o: W Dest la largeur de la région appauvrie à la tension d'amorçage; Lp est une longueur de diffusion et WN est la largeur de la région entre les deux jonctions de blocage sous le puits 34, à savoir les jonctions PN 22 et 24 mesurées à partir du fond du puits 34 Une longueur de diffusion est considérée comme représentant environ "m dans une matière semiconductrice de type N. A titre d'exemple, le thyristor de la figure 1 peut avoir les paramètres physiques suivants La région 12 de cathode- émetteur de type N+ peut être dopée d'une concentration superficielle de 102 à 1021 atomes /cm 3, la concentration de dopage à la jonction PN 20 étant 3 x 1016 à 5 x 1016 La région 12 Peut avoir une largeur ou une épaisseur de 35 Nom La région 14 de cathode-base de type P+ et la région 18 d'anode-émetteur de type P+ peuvent être dopées à une concentration superficielle de 1018 à 1019 atomes/cm 3 La région 18 d'anode-émetteur peut avoir une largeur ou une épaisseur de 125 Hm La région de cathodebase peut avoir une largeur ou une épaisseur de 125 Hm pour la partie 38 et une largeur ou une épaisseur de 35 Hum pour la partie 36 au-dessous du
puits La région 16 d'anode-base peut avoir une résisti-
vité de 160 ohms/cm et d'une largeur de 350 gm au-dessous du puits 34, WN, et le reste de la région ayant une largeur de 500 Hm La profondeur du puits peut être
0,225 mm.
Ce thyristor antérieur a été décrit en 1981 dans
IEDM, pages 410 à 413 par J X Przybysz et E S Schlegel.
Une autre technique antérieure associée est en 1981, IEDM, pages 406 à 409, V A K Temple et les brevets
des Etats-Unis d'Amérique N O 4 176 371 et 4 079 403.
L'objet essentiel de l'invention est donc de
proposer une caractéristique d'auto-protection améliorée.
D'une façon générale, l'invention concerne donc un thyristor déclenché par la lumière, protégé contre les surtensions par éclatement, ledit thyristor comprenant une surface supérieure et une surface inférieure, une première région de base et une seconde région de base, la première région de base comprenant un puits qui est espacé d'une première région d'émetteur, le puits pénétrant à partir de la partie centrale de la surface supérieure du thyristor
dans la première région de base, d'une distance prédéter-
minée, cette distance prédéterminée étant telle que la jonction de blocage directe au-dessous du puits est profilée vers la jonction de blocage inverse, la seconde région de base ayant une première largeur WN au-dessous du puits qui est inférieure à la largeur du reste de la seconde région de base, la première largeur étant telle que
WD > WN
o WD est la largeur d'une région appauvrie formée à
une tension d'amorçage voulue.
D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-
tion apparaîtront au cours de la description qui va
suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels-: La figure 1 est une vue de côté d'un thyristor antérieur, La figure 2 est une vue de côté d'un thyristor selon l'invention, La figure 3 est un schéma d'un composant de commutation à quatre couches s'approchant de l'éclatement, La figure 4 est un schéma illustrant une théorie du fonctionnement du thyristor selon l'invention, et Les figures 5, 6 et 7 sont des courbes I-V du
thyristor selon l'invention.
La figure 2 représente un thyristor 110 déclenché par la lumière, autoprotégé contre les surtensions par le mécanisme d'éclatement Le thyristor 110 est réalisé
selon l'invention.
Le thyristor 110 sera décrit dans le cas d'une configuration N+P+NP+ dans un substrat de silicium Bien
entendu que l'invention s'applique également à un thy-
ristor de configuration P+N+PN+ et que le thyristor peut
être réalisé en toute matière semi-conductrice appropriée.
Le thyristor 110 comporte une région 112 de cathode-émetteur de type N+ qui est de préférence segmentée, une région 114 de cathode-base de type P+ , une région
116 d'anode-base de type N et une région 118 d'anode-
émetteur de type P+.
Une première jonction PN 120 est formée entre la région 112 de cathodeémetteur et la région 114 de cathode-base. Une seconde région PN 122 est formée entre la
région 114 de cathode-base et la région 116 d'anode-base.
La jonction PN 122 est la jonction de blocage direct
du thyristor 110.
Une troisième jonction PN 124 est formée entre
la région 116 d'anode-base et la région 118 d'anode-
émetteur La jonction PN 124 est la jonction de blocage
inverse du thyristor 110.
Une électrode d'émetteur 126 est fixée sur la surface supérieure du thyristor 110 en contact électrique ohmique avec la région 112 de cathodeémetteur et la région 114 de cathode-base Le contact électrique ohmique entre l'électrode d'émetteur 126 et la région 144 de cathode-base, est établi sur une partie 129 de la région
114, c'est-à-dire la partie de la région 114 de cathode-
émetteur qui atteint la surface supérieure 128 du thyristor
entre des segments de la région 112 de cathode-émetteur.
Une électrode 130 d'anode-émetteur est fixée le long de la surface inférieure 132 du thyristor 110,
en contact électrique ohmique avec la région 118 d'anode-
émetteur. Le thyristor 110 comporte un puits 134 formé dans sa surface supérieure 128 et pénétrant dans la région
114 de cathode-base.
La région 114 de cathode-base est déformée le long de la surface inférieure 135 du puits 134 et la
partie 136 de la région 114 le long de la surface infé-
rieure 135 du puits 134 pénètre dans la région 116 d'anode-
base davantage que la partie 138 de la région 114 La partie 138 de la région 114 est la partie de cette région 114 partant du point 140 jusqu'au bord 142 du thyristor La déformation de la région 114 de cathode- base entraîne que la jonction PN 122 au-dessous du puits
soit profilée vers la jonction PN 124.
Le puits 134 est formé dans le thyristor 110 par gravure ou tout autre moyen approprié connu par les spécialistes en la matière, entre une diffusion d'aluminium et une diffusion de gallium ultérieure Une diffusion d'aluminium suivie par une diffusion de gallium est bien
connue du spécialiste en la matière.
Dans le thyristor 110 selon l'invention, qui est
protégé contre une surtension par le mécanisme d'éclate-
ment, la largeur WN de la partie 137 de la région 116 qui est la partie de la région 116 au-dessous du puits 134, mesuré entre la jonction PN 122 le long du fond du puits
et la jonction PN 124 est critique.
Pour que le thyristor 110 soit auto-protégé contre une surtension par le mécanisme d'éclatement, la relation suivante doit être respectée:
WD > WN
o WD est la largeur de la région appauvrie à la tension d'amorçage voulue, WN est la largeur de la région entre
les jonctions de blocage mesurées à partir du fond du puits.
En pratique réelle, l'éclatement se produit quand WD au-dessous du puits 134 se situe dans moins de 2
longueurs de diffusion de la jonction PN 124.
Pour assurer que l'éclatement se produise à la position voulue, audessous du puits 134, la distance "d" depuis le point 143, c'est-à-dire le bord du fond du puits 134 jusqu'à la région 112 de cathode-émetteur doit être au moins de deux longueurs de diffusion, une longueur de diffusion étant à peu près 35 mm dans une matière semi-conductrice -du type N. Ainsi, l'éclatement se produit dans une position, au-dessous du puits 134, qui est éloigné de la région 112
de cathode-émetteur.
Le thyristor est débloqué quand le puits 134 reçoit de l'énergie lumineuse, et de préférence quand la surface intérieure du puits reçoit la majorité de l'énergie lumineuse. Pour expliquer le fonctionnement de l'invention, il y a lieu de se référer à la figure 3 qui montre un composant conventionnel à quatre couches, s'approchant de l'éclatement La largeur effective de base "t" du transistor PNP s'approche de la longueur de diffusion Lp des proteurs minoritaires Par l'effet Early, le
gain du transistor PNP augmente jusqu'à ce que la condi-
tion de commutationa( + ut = 1 soit atteinte Ce npn pnp mécanisme de commutation présente une forte dépendance négative de la température Par opposition, un équivalent du composant selon l'invention est représenté sur la figure 4 L'effet Early sous le puits profond est contrôlé par la nouvelle largeur effective de base C' qui est
différente de la largeur de base effective -f sous la cathode-
émetteur Par conséquent, le gain du transistor de région de grille peut augmenter considérablement pendant que le gain du transistor PNP de région de cathode reste presque constant La région de base P neutre relie le collecteur du transistor de région de grille à la base du transistor NPN de région de cathode Une condition de commutation entièrement nouvelle est obtenue, Ig = IL O pnp o I: est le courant de grille de seuil habituel, I est le courant de fuite de la couche appauvrie, et epnp est le gain (dépendant de la tension) du transistor
sous le puits profond Cette nouvelle condition de commuta-
tion est beaucoup plus stable par rapport à la température.
Un thyristor, selon l'invention, du type représenté
sur la figure 2, a été formé sur une plaquette de sili-
cium d'un diamètre de 50 mm.
La région 112 de cathode-émetteur a été dopée
à une concentration superficielle de 1020 à 1021 atomes/cm 3.
La concentration de dopage de la région 112 à la jonction PN 120 était 3 à 5 x 10 i La largeur de la région 112
était 35 Dm.
La région 114 de cathode-base a été dopée à une
concentration superficielle de 1018 à 1019 atomes/cm 3.
La partie 138 de la région 114 avait une largeur de 125 Dm et la partie 136 de la région 114 une épaisseur de 35 Dam. La région 116 d'anode-base avait une résistivité
de 160 ohms/cm.
La partie 137 de la région 116 au-dessous du puits avait une largeur de 275 Dim tandis que le reste de la
région avait une largeur de 425 Dm.
La couche 118 d'anode-émetteur était dopée à une concentration superficielle de 1018 à 1019 atomes/cm 3 et
avait une épaisseur de 125 Dm.
Le puits 134 avait une profondeur de 0,225 mm et une largeur de 1,625 mm en un point à 0,11 mm de la
surface supérieure 128 du thyristor 110.
La distance "d" était environ 175 Dim.
La figure 5 illustre la caractérisitque de commu-
tation I-V directe auto-protégée du thyristor 110 à 250 C.
La figure 6 montre la caractéristique de commuta-
tion directe I-V auto-protégée du même transistor 110 à 1250 C Il faut noter que l'augmentation de température
n'affecte pratiquement pas la tension de blocage du thyris-
tor. Le mesure du rayonnement de recombinaison à infrarouge montre clairement qu'un déblocage par surtension se produisait dans la région degrille, c'est-à-dire la partie centrale du thyristor, sous le puits, plutôt qu'au
bord du composant.
L'éclatement, origine du courant de déclenchement, est confirmé par des mesures infrarouges thermiques du thyristor 110 en polarisation inverse La figure 7 montre la caractéristique I-V inverse du composant Il faut noter que le début de fuite apparaissait à une tension correspondant à l'apparition de la fuite directe Quand le thyristor a été observé sous l'aspect thermique, le point chaud était le puits 134 Une preuve encore plus convaincante a été obtenue par une observation thermique
microscopique du puits creusé, en polarisation inverse.
Les points les plus chauds de l'image correspondaient aux points les plus profonds du puits 134 Comme il faut s'y attendre, l'éclatement commençait aux parties les plus étroites de la base N.
Claims (7)
1 Thyristor déclenché par de la lumière, protégé contre les surtensions par éclatement, caractérisé en ce qu'il comporte une surface supérieure ( 128) et une surface inférieure ( 132), une première région de base ( 114) et une seconde région de base ( 116), ladite première région de base comportant un puits ( 134) qui y est formé, ledit puits étant espacé d'une première région d'émetteur ( 112), ledit puits s'étendant depuis la partie centrale de la surface supérieure du thyristor dans la première région de base, d'une distance prédéterminée, ladite distance prédéterminée étant telle que la jonction de blocage directe au-dessous dudit puits soit profilée vers la jonction de blocage inverse, ladite seconde région de base ayant une première largeur WN au-dessous dudit puits qui est inférieure à la largeur de l'autre partie de la seconde région de base, ladite première largeur étant telle que
WD > WN
o WD est la largeur d'une région appauvrie formée à
la tension s'amorçage voulue.
2 Thyristor selon la revendication 1, caractérisé
en ce que le puits est espacé de la première région d'émet-
teur d'une distance égale à au moins deux longueurs de diffusion.
3 Thyristor selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que WN est inférieur à deux longueurs de diffusion supérieures à WD*
4 Thyristor selon la revendication 2, caracté-
risé en ce que WN est inférieur à deux longueurs de
diffusion supérieures à WD-
5 Thyristor selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que le puits est espacé de la région de cathode-émetteur d'une distance égale à au moins deux
longueurs de diffusion.
6 Thyristor selon la revendication 1, caractérisé en ce que WN est inférieur à deux longueurs de diffusion 1 1
supérieures à WD.
7 Thyristor selon la revendication 5, caractérisé en ce que WN est inférieur à deux longueurs de diffusion
supérieures à WD.
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| FR2091966A1 (fr) * | 1970-02-20 | 1972-01-21 | Mitsubishi Electric Corp | |
| CH594989A5 (fr) * | 1976-09-03 | 1978-01-31 | Bbc Brown Boveri & Cie | |
| DE2747945A1 (de) * | 1976-11-01 | 1978-05-18 | Electric Power Res Inst | Thyristor-bauelement fuer eigenschutz |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| INT. ELECTRON DEVICES MEETING, 7-9 décembre 1981, (publ. IEEE, New York), pages 410-413, Washington, DC, US; J.Y. PRZYBYSZ et al.: "Thyristors with overvoltage self-protection" * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| IN159387B (fr) | 1987-05-09 |
| DE3405548A1 (de) | 1984-08-23 |
| BE898947A (fr) | 1984-08-17 |
| GB2135515A (en) | 1984-08-30 |
| BR8400676A (pt) | 1984-09-25 |
| IE840248L (en) | 1984-08-18 |
| JPS59158560A (ja) | 1984-09-08 |
| GB8402719D0 (en) | 1984-03-07 |
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