FR2699735A1 - Semiconductor current limiter for 500-2000 volts dc range - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif semiconducteur limiteur de courant et capable de tenir une tension de polarisation élevée.The present invention relates to a current limiting semiconductor device capable of withstanding a high bias voltage.
Par tension élevée, ou haute tension, on désignera ici des tensions comprises entre 500 et 2000 volts.By high voltage, or high voltage, we will denote here voltages between 500 and 2000 volts.
La réalisation de dispositifs limiteurs de courant pour le contrôle d'interrupteurs électroniques de puissance suppose habituellement le recours à une combinaison d'éléments tels qu'un transistor MOS à enrichissement piloté par un transistor bipolaire avec un réseau composé de résistances, d'une diode Zener et d'une capacité. Une telle combinaison est coûteuse et encombrante et, de plus, ne permet pas de tenir en tension au-delà d'environ 500 volts. Or on sait que la tenue en tension est l'un des problèmes essentiels rencontrés en électronique de puissance.The realization of current limiting devices for the control of electronic power switches usually supposes the use of a combination of elements such as an enrichment MOS transistor driven by a bipolar transistor with a network composed of resistors, a diode Zener and a capacity. Such a combination is expensive and bulky and, moreover, does not make it possible to withstand voltage beyond about 500 volts. Now, it is known that voltage withstand is one of the essential problems encountered in power electronics.
L'invention a pour but de simplifier et rendre peu encombrant un dispositif limiteur de courant tout en rendant celui-ci apte à tenir une tension de polarisation élevée. Elle a pour autre but de permettre d'associer aisément à un tel dispositif limiteur de courant une diode antiparallèle à tension de polarisation inverse élevée.The object of the invention is to simplify and take up little space in a current limiting device while making it capable of withstanding a high bias voltage. Another object of the invention is to make it possible to easily associate with such a current limiting device an antiparallel diode with a high reverse bias voltage.
Selon l'invention, dans un substrat semiconducteur de type N, on ménage une région hautement résistive de type P- débouchant sur une partie de la surface principale du substrat, avec une dose régulière de dopants comprise entre 0,5 et 4.1012 atomes.cm-2; dans la région à haute résistivité sont prévus un premier îlot et un deuxième îlot peu résistifs de type P+ débouchant sur la surface principale et supportant des couches respectives de prise de contact. La région à haute résistivité présente: - une zone de conduction latérale située entre les deux îlots pour assurer du premier vers
le deuxième îlot le passage d'un courant limité, - une zone de protection contre le claquage en haute tension située autour du deuxième
îlot.According to the invention, in an N-type semiconductor substrate, a highly resistive P-type region is provided which opens onto part of the main surface of the substrate, with a regular dose of dopants of between 0.5 and 4.1012 atoms.cm -2; in the high resistivity region are provided a first island and a second low resistive P + type island opening onto the main surface and supporting respective contact making layers. The high resistivity region has: - a lateral conduction zone located between the two islands to ensure the first worm
the second island the passage of a limited current, - a protection zone against breakdown in high voltage located around the second
small island.
La région à haute résistivité a typiquement une résistance par carré comprise entre 2 et 20 kn /
De préférence, on prévoit une électrode de polarisation sur la surface principale du substrat, en contact ohmique avec cette surface, pour polariser le substrat à un potentiel inférieur à celui du deuxième îlot; la diode PN antiparallèle au chemin de courant premier îlot - deuxième îlot est ainsi neutralisée ou utilisable selon le potentiel de l'électrode de polarisation. The high resistivity region typically has a resistance per square of between 2 and 20 kn /
Preferably, a polarization electrode is provided on the main surface of the substrate, in ohmic contact with this surface, to polarize the substrate at a potential lower than that of the second island; the PN diode antiparallel to the first island - second island current path is thus neutralized or usable depending on the potential of the bias electrode.
Il va de soi que les types de dopages P et N indiqués peuvent être substitués entre eux.It goes without saying that the types of P and N doping indicated can be substituted with one another.
Les caractéristiques et avantages de l'invention sont explicités dans la description suivante d'un mode de réalisation en relation avec les figures jointes.The characteristics and advantages of the invention are explained in the following description of an embodiment in relation to the accompanying figures.
- La figure 1 illustre en coupe la surface d'un substrat de silicium sur lequel est formé le
dispositif limiteur de courant haute tension conforme à l'invention.- Figure 1 illustrates in section the surface of a silicon substrate on which is formed the
high voltage current limiting device according to the invention.
- La figure 2 représente plus en détail un mode de réalisation préféré du dispositif.- Figure 2 shows in more detail a preferred embodiment of the device.
- La figure 3 représente à plus petite échelle en vue de dessus le dispositif limiteur.- Figure 3 shows on a smaller scale in top view of the limiting device.
- La figure 4 montre la caractéristique intensité i tension du dispositif.- Figure 4 shows the current i voltage characteristic of the device.
Le dispositif limiteur de courant unidirectionnel représenté est ménagé sur un substrat 10 de silicium de type N- peu dopé, d'un type utilisé habituellement pour la réalisation de composants de puissance. La résistivité du substrat est fonction de la tension à bloquer, par exemple 50 Q.cm pour 1200 volts.The unidirectional current limiting device shown is provided on a substrate 10 of lightly doped N-type silicon, of a type usually used for producing power components. The resistivity of the substrate is a function of the voltage to be blocked, for example 50 Q.cm for 1200 volts.
Une région hautement résistive de type P- est formée de manière à déboucher sur une partie d'une surface principale 12 du substrat 10. La région 11 a une profondeur de 5 à 30pm et elle est dopée avec une dose d'accepteurs comprise entre 0,5 et 4.1012 atomes.cm-2 pour déterminer une résistance par carré de 2 à 20 kÇ# / D. La dose recherchée est obtenue par implantation ionique suivie d'un recuit.A highly resistive P- type region is formed so as to open onto a part of a main surface 12 of the substrate 10. The region 11 has a depth of 5 to 30 μm and it is doped with a dose of acceptors of between 0 , 5 and 4.1012 atoms.cm-2 to determine a resistance per square of 2 to 20 kÇ # / D. The desired dose is obtained by ion implantation followed by annealing.
La région 11 comprend une zone de conduction Z1 entre deux îlots 13,14 peu résistifs de type P+ et, autour de l'îlot 14, une zone de tenue au claquage haute tension Z2. La zone de conduction Z1 a une largeur I et une longueur L qui contribuent à définir sa résistance.Region 11 comprises a conduction zone Z1 between two low resistive P + type islands 13,14 and, around island 14, a high voltage breakdown withstand zone Z2. The conduction zone Z1 has a width I and a length L which help to define its resistance.
Le dopage des îlots est tel que leur résistance par carré est comprise entre 10 et 100 Q/S et leur profondeur est inférieure, égale ou - dans cet exemple - supérieure à celle de la région 11. Les îlots 13,14 reçoivent des métallisations respectives 15,16 de prise de contact.The doping of the islands is such that their resistance per square is between 10 and 100 Q / S and their depth is less than, equal to or - in this example - greater than that of region 11. The islands 13,14 receive respective metallizations. 15.16 contact.
La zone de protection Z2 a une largeur qui dépend des caractéristiques de la région 11, typiquement de 100 à 200 lim pour bloquer 1200 volts.The protection zone Z2 has a width which depends on the characteristics of the region 11, typically from 100 to 200 µm to block 1200 volts.
Une région 17 de type N+, fortement dopée, par exemple avec une concentration supérieure à 1018 atomes.cm-3, est prévue à la surface 12 du substrat 10 pour polariser celui-ci sous une tension inférieure à la tension appliquée à l'îlot 14 via la métallisation 16 afin de polariser ainsi en sens direct la jonction PN 18. La région 17 reçoit une métallisation 19 de prise de contact. A region 17 of the N + type, heavily doped, for example with a concentration greater than 1018 atoms.cm-3, is provided on the surface 12 of the substrate 10 to bias the latter under a voltage lower than the voltage applied to the island. 14 via the metallization 16 in order to thus polarize in the forward direction the PN junction 18. The region 17 receives a metallization 19 for making contact.
La région 17 est poursuivie sur le pourtour du dispositif (figures 2 et 3) pour réaliser un anneau de champ équipotentiel 20 qui permet d'arrêter la progression de la zone de charge d'espace. La couche d'oxyde a été représentée en 21.The region 17 is continued around the periphery of the device (FIGS. 2 and 3) to produce an equipotential field ring 20 which makes it possible to stop the progression of the space charge zone. The oxide layer has been shown at 21.
Les électrodes 16,15,19 étant référencées respectivement A,B,C (voir figure 1), le fonctionnement du dispositif est le suivant.Since the electrodes 16,15,19 are respectively referenced A, B, C (see FIG. 1), the operation of the device is as follows.
Lorsque le potentiel en C est égal ou légèrement supérieur au potentiel en B, lui-même supérieur au potentiel en A, le dispositif fonctionne en limiteur d'intensité pour le courant qui circule de B vers A, la valeur du courant limité étant typiquement comprise entre 0,3 et 5 mA. B et C peuvent alors être interconnectées pour assurer l'égalité de potentiel recherchée.When the potential at C is equal to or slightly greater than the potential at B, itself greater than the potential at A, the device operates as a current limiter for the current flowing from B to A, the value of the limited current typically being included between 0.3 and 5 mA. B and C can then be interconnected to ensure the desired equality of potential.
Lorsque le potentiel en C est inférieur au potentiel en B ou en A, la diode formée par la jonction 18 entre le substrat N- 10 d'une part et par les régions 11,13,14 d'autre part est polarisée en direct. Le courant peut donc circuler de A ou B vers C avec une chute de tension de 0,7 volt dans la diode. When the potential at C is lower than the potential at B or at A, the diode formed by the junction 18 between the N- substrate 10 on the one hand and by the regions 11,13,14 on the other hand is forward biased. The current can therefore flow from A or B to C with a voltage drop of 0.7 volts in the diode.
La figure 4 représente la caractéristique courant-tension du dispositif lorsqu'il fonctionne en limiteur. Jusqu'à ce que la tension atteigne une valeur Vp comprise entre 20 et 40 volts, le courant croît avec une pente de 10 à 50 kQ jusqu'à une valeur Ip comprise entre 0,3 et 5 mA.FIG. 4 represents the current-voltage characteristic of the device when it operates as a limiter. Until the voltage reaches a Vp value between 20 and 40 volts, the current increases with a slope of 10 to 50 kΩ up to an Ip value between 0.3 and 5 mA.
Au-delà de Vp et jusqu'à une tension de claquage Vb supérieure à 1200 volts, le courant reste pratiquement stabilisé à la valeur Ip, sa pente étant alors de 500 kQ. Beyond Vp and up to a breakdown voltage Vb greater than 1200 volts, the current remains practically stabilized at the value Ip, its slope then being 500 kΩ.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3134647A1 (en) * | 1981-08-29 | 1983-03-17 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Overvoltage-limited control of optically fired power semiconductors |
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1992
- 1992-12-17 FR FR9215357A patent/FR2699735B1/en not_active Expired - Fee Related
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DE3134647A1 (en) * | 1981-08-29 | 1983-03-17 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Overvoltage-limited control of optically fired power semiconductors |
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