FR2570879A1 - Transistor bipolaire de puissance utilisable en commutation - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION A POUR OBJET UN TRANSISTOR BIPOLAIRE DE PUISSANCE UTILISABLE EN COMMUTATION. ELLE COMPORTE ESSENTIELLEMENT UN TRANSISTOR DONT LA BASE 12, A L'APLOMB L DE LA JONCTION EMETTEUR-BASE 8, COMPORTE DES REGIONS 9, 10 DE DIFFERENTES VALEURS DE CONCENTRATION. LA CONCENTRATION LA PLUS ELEVEE SE TROUVE 9 A L'APLOMB DE LA PARTIE CENTRALE 11 DE LA JONCTION EMETTEUR-BASE. CECI A POUR EFFET D'EMPECHER LA FOCALISATION, DE LIMITER LA LONGUEUR INTERNE DE BASE, ET DE FAVORISER LA RECOMBINAISON DES CHARGES STOCKEES DANS LA BASE AU MOMENT DU BLOCAGE DU TRANSISTOR. IL EN RESULTE UNE REDUCTION DES TEMPS DE STOCKAGE ET UNE MEILLEURE TENUE AU BLOCAGE.
Description
TRANSISTOR BIPOLAIRE DE PUISSANCE
UTILISABLE EN COMMUTATION
L'invention a pour objet un transistor bipolaire de puissance utilisable en commutation. Ces transistors trouvent plus particulièrement leur usage dans des convertisseurs de puissance. Le transistor de l'invention est plus particulièrement adapté à être intégré dans un montage darlington
Le fonctionnement en commutation d'un transistor est déterminé par les qualités de ce transistor dans le rôle de commutateur: c'est-à-dire ses caractéristiques dans chacun des deux états stables : l'état ouvert (ou état bloqué) et l'état passant, et ses caractéristiques lors de son passage d'un état à t'autre et vice versa. Le fonctionnement du transistor dans chacun de ces états, ou au cours d'un changement d'état, a fait l'objet de multiples perfectionnements.Cependant un de ces fonctionnements doit encore être amélioré : c'est le fonctionnement qui régit le passage de l'état passant à l'état bloqué. En effet il est connu que dans l'état passant un transistor doit être saturé ou quasi saturé. Cette saturation permet d'amenuiser le plus possible la tension résiduelle entre l'émetteur et le collecteur. Compte tenu des courants qui passent alors dans le transistor ceci permet de réduire au minimum la puissance thermique qui y est dissipée.
UTILISABLE EN COMMUTATION
L'invention a pour objet un transistor bipolaire de puissance utilisable en commutation. Ces transistors trouvent plus particulièrement leur usage dans des convertisseurs de puissance. Le transistor de l'invention est plus particulièrement adapté à être intégré dans un montage darlington
Le fonctionnement en commutation d'un transistor est déterminé par les qualités de ce transistor dans le rôle de commutateur: c'est-à-dire ses caractéristiques dans chacun des deux états stables : l'état ouvert (ou état bloqué) et l'état passant, et ses caractéristiques lors de son passage d'un état à t'autre et vice versa. Le fonctionnement du transistor dans chacun de ces états, ou au cours d'un changement d'état, a fait l'objet de multiples perfectionnements.Cependant un de ces fonctionnements doit encore être amélioré : c'est le fonctionnement qui régit le passage de l'état passant à l'état bloqué. En effet il est connu que dans l'état passant un transistor doit être saturé ou quasi saturé. Cette saturation permet d'amenuiser le plus possible la tension résiduelle entre l'émetteur et le collecteur. Compte tenu des courants qui passent alors dans le transistor ceci permet de réduire au minimum la puissance thermique qui y est dissipée.
Mais cette saturation est obtenue par une accumulation massive de charges dans la base et dans le collecteur. Cette accumulation est d'ailleurs d'autant plus massive que la saturation a été poussée. Lorsqu'on inverse le courant de base du transistor en vue de le bloquer, la tension émetteur-collecteur ne se met a croître et le courant collecteur ne se met à décroître qu' après un temps, dit de stockage ou de restitution. Ce temps de stockage sert à évacuer les charges accumulées dans la jonction collecteur-base. Ce temps de stockage provoque donc un retard à l'exécution de l'ordre d'ouverture de l'interrupteur constitué par le transistor. A ce titre il doit être autant que possible réduit.
Par ailleurs, ce qui est beaucoup plus grave est ce qui se passe à la fin de cette période de stockage. A la fin de cette période de stockage, la base, qui est dopée en un type donné, est saturée de porteurs minoritaires. L'évacuation de ces porteurs minoritaires provoque un phénomène de focalisation du courant d'émetteur. Au cours de cette phase le courant de collecteur reste imposé à son maximum par le circuit extérieur. Comme les facultés de passage de ce courant dans la jonction émetteur-base sont réduites à une zone centrale de cette jonction, il en résulte que la densité de courant dans cette zone centrale augmente brusquement. Ceci peut provoquer la destruction du transistor.Quand ce phénomène survient il se produit un véritable cratère montrant, dans la jonction émetteur-base, l'endroit où le courant de collecteur a été confiné et dans lequel il # provoqué un échauffement fatal.
Dans cette phase critique, certains facteurs interviennent. La tension émetteur-collecteur croît et atteint une valeur proche de celle du blocage alors que Pévacuation des charges provoque le passage dans les jonctions d'un courant proche du courant de saturation. Donc ceci provoque un échauffement. Cet échauffement est d'autant plus néfaste que, par ailleurs, le blocage de la jonction émetteur-base se fait progressivement à partir des bords extérieurs de cette jonction. En conséquence non seulement la puissance dissipée est grande, mais en plus cette puissance n'est dissipée que dans la partie centrale du transistor par rapport aux bords de jonction émetteur-base.
Il est connu par le brevet français n0 2 438 341 de modifier la structure de diffusion de l'émetteur dans la base pour pallier ces inconvénients. Tel que ce brevet le décrit, cette structure présente pour être réalisée, l'inconvénient que l'émetteur doit y être diffusé en deux étapes. Pour remédier à cet inconvénient ce brevet décrit une variante dans laquelle la structure d'émetteur comporte deux parties latérales jouant un rôle d'émetteur proprement dit et entourant une partie centrale qui n'est dopée qu'avec les impuretés qui ont servi à réaliser la base, base dans laquelle cet émetteur est diffusé. La connexion d'émetteur est réalisée au moyen d'une métallisation qui est apliquée sur ces deux parties latérales d'émetteur.Pour éviter que cette métallisation ne vienne alors au contact de la partie entourée, et qui en fait appartient à la base, il est prévu de recouvrir avant la métallisation cette partie centrale avec une couche d'isolant.
Cependant pour que cette technique soit efficace il faut que la couche d'isolant soit épaisse, ce qui revient à nécessiter une phase supplémentaire dans le procédé de réalisation du transistor. Le but de cette phase est alors uniquement de réaliser cette couche isolante. Où bien, si cette couche isolante est réalisée à l'occasion d'une phase normale du procédé, son épaisseur est faible et des micro courts-circuits peuvent se produire entre la connexion d'émetteur et la base. Les ambiances alors nécessaires de grande propreté ne sont plus propices à la production d'éléments en grande série et à faible coût.
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients cités en proposant un transistor dont la structure d'émetteur est classique mais dont la base possède des régions inégalements dopées. Dans les régions très dopées on limite ainsi le nombre des porteurs a évacuer. Ceci réduit le temps de stockage et supprime également le phénomène de focalisation puisque peu de porteurs minoritaires mobiles sont stockés en conduction dans la région centrale de la jonction émetteur-base.
L'invention concerne un transistor bipolaire de puissance utilisable en commutation. Ce transistor est du type comportant, au-dessus d'une jonction collecteur-base, une jonction émetteur-base dont la surface est délimitée par les dimensions de la diffusion de l'émetteur dans la base. Ce qui caractérise l'invention est que la base comporte des régions inégalement dopées : la concentration la plus élevée dans la base se trouvant dans une région située à l'aplomb d'une partie centrale de la surface de jonction émetteurbase.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent; sur ces figures les mêmes repères désignent les mêmes éléments. Les cotes et proportions des diverses parties ne sont pas respectées. Cette description n'est donnée qu'à titre indicatif et non limitatif de l'invention. Les figures représentent:
- figures l et 2 : des représentations en coupe de transistors conformes à l'invention;
- figures 3 et 4 des coupes, selon un plan AA de la figure 1, de transistors selon l'invention réalisés sous une forme soit circulaire soit interdigitée;
- figure 5 : un montage en darlington dans lequel un transistor conforme à l'invention peut être plus particulièrement intégré.
- figures l et 2 : des représentations en coupe de transistors conformes à l'invention;
- figures 3 et 4 des coupes, selon un plan AA de la figure 1, de transistors selon l'invention réalisés sous une forme soit circulaire soit interdigitée;
- figure 5 : un montage en darlington dans lequel un transistor conforme à l'invention peut être plus particulièrement intégré.
La figure 1 représente un transistor bipolaire de puissance utilisable en commutation. Ce transistor comporte, toutes superposées, une couche d'émetteur l, une couche de base 2, et une couche de collecteur 3. L'émetteur est rélié à une connexion 4, la base à une connexion 5 et le collecteur à une connexion 6. Dans l'exemple représenté le transistor est un transistor au silicium d'un type NPN. Le collecteur est réalisé en deux couches, une couche dopée N formant la couche de collecteur proprement dite et qui repose sur une couche dopée N+. Cette dernière n'a aucune particularité électrique mais permet par son épaisseur de conférer au transistor une certaine rigidité mécanique. C'est sous cette couche N+ qu' est appliquée la métallisation formant la connexion de collecteur. La base 2, qui est dopée P, dans un exemple est obtenue par épitaxie ou par diffusion à partir du sommet de la couche de collecteur. L'émetteur 1 est obtenu en diffusant des impuretés de type N dans la base 2. La localisation de cette diffusion est limitée géographiquement par un masque lors de cette opération. Dans la vue en coupe qui est représentée sur la figure l, cette diffusion s'étend sur une largeur L. Ainsi au-dessus de la jonction collecteurbase 7 se trouve une jonction émetteur-base 8 dont la surface est délimitée par les dimensions (L) de la diffusion d'émetteur dans la base. Ce qui caractérise l'invention c'est que la base comporte des régions inégalement dopées.On y distingue essentiellement une région centrale 9 située sous la partie centrale de la diffusion l d'émetteur, et des régions latérales 10 qui entourent cette région centrale. La région centrale est très fortement dopée : P++. Par exemple la région centrale P++ est obtenue par diffusion de Bore avec une concentration en surface de la plaquette qui peut être de l'ordre de 1.1020 atomes/cm3. Cette concentration est bien supérieure à la concentration d'impuretés de type P répartie dans la base diffusée, donc dans les régions latérales, et qui vaut, elle, environ 1.1018 atomes/cm3 en surface. Pour leur part la diffusion d'émetteur l et la diffusion de la couche de collecteur dopée N+ sont obtenues avec des concentrations d'impuretés de l'ordre de 5.1020 atomes/cm3 de Phosphore.Le dopage plus fort de la région 9 par rapport aux régions 10 est obtenu par diffusion d'impuretés P dans cette région avant la réalisation de la diffusion ultérieure d'émetteur.
Cet arrangement des concentrations étant réalisé, les phénomènes qui surviennent lors du blocage du transistor sont les suivants. Premièrement le gain dans la partie centrale de la jonctionémetteur-base est très faible : il n'y a quasiment pas d'injection. En effet le gain, classiquement appelé hfe, est proportionnel au rapport de la concentration d'impuretés dans l'émetteur à la concentration d'impuretés dans la base. Comme la concentration d'impuretés dans la région centrale de la base a été fortement augmentée (environ 100 plus), le gain y est inférieur, d'environ 100 fois, par rapport à celui qui existe dans les régions latérales 10. Comme ils'y a presque pas d'injection dans la région centrale, le phénomène de focalisation redouté ne se produit pas.En effet en régime de saturation l'accumulation des porteurs minoritaires se fait de manière égale dans toute la base. Dans la région 9 peu de porteurs peuvent être injectés du fait qu'ils y sont déjà très nombreux. Deuxièmement le taux de recombinaison des porteurs dans cette région centrale de base étant augmenté, beaucoup de charges (électrons dans le cas présent d'une structure NPN) n'auront pas besoin d'être évacuées puisqutelles retrouvent leur place par recombinaison.
Enfin troisièmement la résistance interne de base, rob', est réduite approximativement dans le rapport de la largeur I de la partie centrale 9 à la largeur L de la jonction 8. En conséquence l'évacuation des charges de la base ne provoque pas le maintien en direct de la jonction émetteur-base. En effet cette résistance rbb' étant réduite, la chute de potentiel qu'elle occasionne n'est pas suffisante pour modifier la polarisation en inverse que l'on cherche à appliquer sur cette jonction au moment du blocage.
La diffusion d'émetteur est effectuée dans la base après que celle-ci a été localement surdopée (dans la région 9). C'est pour cette raison que, sur la figure 1, l'émetteur 1 comporte deux types de région, une région Il située au-dessus de la région 9 et des régions l2 situées au-dessus des régions 10. Dans la région Il coexistent les deux concentrations : la concentration N+ et la concentration P++. Ceci n'est pas gênant puisque la concentration
N+ est quand même prépondérante puisqu'elle est supérieure à la concentration P++. Dans les régions 12 il n'y a que la concentration
N+. Les transistors de type NPN peuvent recevoir plus facilement l'amélioration préconisée par l'invention. En effet il est plus facile d'obtenir des concentrations fortes en impuretés N qu'avec des impuretés P.Mais l'effet de l'invention peut quand même être mis en oeuvre dans des transistors de type PNP. En conséquence dans la région Il les deux diffusions, celle de base puis celle d'émetteur, se superposant, il faut s'arranger pour que la concentration d'impuretés due pour l'émetteur soit supérieure à la concentration d'impuretés qui a été obtenue pour la base.
N+ est quand même prépondérante puisqu'elle est supérieure à la concentration P++. Dans les régions 12 il n'y a que la concentration
N+. Les transistors de type NPN peuvent recevoir plus facilement l'amélioration préconisée par l'invention. En effet il est plus facile d'obtenir des concentrations fortes en impuretés N qu'avec des impuretés P.Mais l'effet de l'invention peut quand même être mis en oeuvre dans des transistors de type PNP. En conséquence dans la région Il les deux diffusions, celle de base puis celle d'émetteur, se superposant, il faut s'arranger pour que la concentration d'impuretés due pour l'émetteur soit supérieure à la concentration d'impuretés qui a été obtenue pour la base.
La réalisation du surdopage de la zone 9 peut être effectuée en même temps que la réalisation d'un surdopage 13 habituellement réalisé sous la métallisation de la connexion 5 de base. Ceci améliore le contact électrique de base. Mais dans ce cas, compte tenu que la concentration dans la région 9 doit être obtenue dans toute l'épaisseur de base (entre 20 et 10 microns de profondeur) le surdopage 13 prend la forme du surdopage 14 qui est représenté du côté gauche de la figure 1. Cette région 14 ne joue aucun rôle dans l'effet transistor. Elle a cependant pour effet, favorable, de réduire encore plus la résistance interne de base rbbl. En effet cette résistance ne se déploie plus alors que dans les régions de la base qui sont directement sous-jacentes aux parties 12 de l'émetteur 1.
La figure 2 représente une pastille semiconductrice conforme à la structure décrite dans la figure 1 et dans laquelle cette région 14 déborde maintenant dans la jonction émetteur-base 8 proprement dite. Autrement dit les régions 12 de l'émetteur dans lesquelles il n'y a qu'un seul type de concentration, de concentration
N+ uniquement, se trouvent maintenant bordées par des régions où des concentrations P++ coexistent. Il s'agit de la région 11 précédemment évoquée d'une part, et de nouvelles régions 15 d'autre part. Ces régions 15 se trouvent aux extrêmes bords de la jonction émetteur-base. Cette dernière amélioration permet un claquage émetteur-base à très basse tension : #EB0 inférieur ou égal à 6 volts environ. Ce claquage émetteur-base à basse tension est propice à une évacuation rapide des charges stockées dans la base. Ce phénomène provoque une réduction sensible de la durée du stockage.
N+ uniquement, se trouvent maintenant bordées par des régions où des concentrations P++ coexistent. Il s'agit de la région 11 précédemment évoquée d'une part, et de nouvelles régions 15 d'autre part. Ces régions 15 se trouvent aux extrêmes bords de la jonction émetteur-base. Cette dernière amélioration permet un claquage émetteur-base à très basse tension : #EB0 inférieur ou égal à 6 volts environ. Ce claquage émetteur-base à basse tension est propice à une évacuation rapide des charges stockées dans la base. Ce phénomène provoque une réduction sensible de la durée du stockage.
Cette réduction est d'autant plus envisagable que, par ailleurs, la structure des concentrations dans la base interdit la focalisation. Il n'y a donc plus aucun risque à faire se décharger la base avec un courant très fort.
La réalisation de toutes ces phases de diffusion ne présente pas de difficulté. Le transistor selon l'invention peut être fabriqué comme un élément discret. Sur la droite de la figure 2 un arraché indique que la structure représentée participe à un circuit plus vaste. Les figures 3 et 4 reprennent chacune de ces possibilités. La figure 3 représente schématiquement, en coupe selon le plan AA de la figure 2, un transistor discret de forme circulaire. Il comporte notamment dans sa base une région centrale 9, de diamètre I et dopée P++, qui est entourée par une région latérale 10 dopée P. La trace en tirets de l'émetteur 1, de diamètre L, apparait comme contenue à l'aplomb d'une région de surdopage 14 au-dessus de laquelle doit être réalisée la connexion de base. Le transistor de la figure 3 a donc pour caractéristique que sa tension de claquage émetteur-base est faible.Par contre sur la figure 4, qui reprend des éléments identiques, la trace en tirets de l'émetteur 1 est différenciée de la région de surdopage 14. Cette région de surdopage, ici, ne déborde donc pas dans la jonction émetteur-base.
La tension de claquage est donc élevée. La figure 4 représente par ailleurs une réalisation interdigitée d'un transistor bipolaire de puissance selon l'invention.
La figure 5 représente un montage en darlington dans lequel un transistor T1 conforme à celui de l'invention est piloté par un transistor dit driver T2. La particularité du transistor driver est d'être assisté d'une diode de stockage D. La réalisation de cette diode de destockage se fait sur le même substrat que les transistors T1 et T2 mais dan#s un caisson d'isolement dopé P++. Ce caisson est réalisé en profondeur dans la couche de base. L'intérêt de l'invention est de profiter de cette opération de dopage P++ en profondeur, existant nécessairement pour réaliser le caisson de diode, pour réaliser en même temps les surdopages dans les régions 9 et 14 des transistors du circuit darlington. Ainsi on ne modifie en rien le procédé de fabrication: seul le masque utilisé pour le dopage des caissons est modifié pour y ménager des passages correspondant aux régions 9 et 14 des transistors de puissance. Le surdopage y est diffusé en même temps que les caissons d'isolement des diodes D.
Claims (5)
1. Transistor bipolaire de puissance (Fig.l) utilisable en commutation du type comportant, au-dessus d'une jonction collecteur base (7), une jonction émetteur-base (8) dont la surface (L) est délimitée par les dimensions de la diffusion d'émetteur (1) dans la base (2), caractérisé en ce que la base comporte des régions (9, 10) inégalement dopées, la concentration la plus élevée (P++) dans la base se trouvant dans une région (9) située à l'aplomb d'une partie centrale (11) de la surface de jonction émetteur-base.
2. Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion de base (5) étant située à côté de la connexion (4) d'émetteur la région (14) de la base sous-jacente à cette connexion de base reçoit également un dopage du même ordre (P++) que celui qui se trouve dans la base à l'aplomb de la partie centrale de l'émetteur.
3. Transistor selon la revendication 2, caractérisé en ce que cette région de base sous-jacente à la connexion de base déborde (15) dans la jonction émetteur-base.
4. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est du type NPN.
5. Transistor selon la revendication 4 caractérisé en ce que les concentrations d'impuretés dans l'émetteur sont de l'ordre de 5010 20 atomes/cm3 en surface et que dans les régions de la base elles y sont de l'ordre de 1.1020 et 1.1018 atomes/cm3 pour les régions les plus dopées et pour les régions les moins dopées respectivement.
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1985
- 1985-09-20 IT IT67802/85A patent/IT1182559B/it active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2570879B1 (fr) | 1987-05-22 |
| IT8567802A0 (it) | 1985-09-20 |
| IT1182559B (it) | 1987-10-05 |
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