FR2818805A1 - Commutateur statique bidirectionnel sensible - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un commutateur bidirectionnel formé dans un substrat semiconducteur (1) de type N, comprenant un premier thyristor vertical principal (Th1) dont la couche de face arrière (2) est du deuxième type de conductivité, un deuxième thyristor vertical principal (Th2) dont la couche de face arrière (6) est du premier type de conductivité, une région périphérique (7) du deuxième type de conductivité s'étendant de la face avant à la face arrière, une première métallisation (M1) recouvrant la face arrière, une deuxième métallisation (M2) du côté de la face avant reliant les couches de face avant des premier et deuxième thyristor, et une région de gâchette (27) du premier type de conductivité dans une partie de la surface supérieure de la région périphérique.
Description
COMUTATEUR STATIQUE BIDIRECTIONNEL SENSIBLE
La présente invention concerne la réalisation sous forme monolithique de commutateurs bidirectionnels de moyenne puissance. Les commutateurs bidirectionnels statiques les plus courants sont les triacs. Un triac correspond à l'association en antiparallèle de deux thyristors. Il peut donc être connecté directement dans un réseau alternatif, par exemple le secteur. La gâchette d'un triac classique correspond à la gâchette de cathode de l'un au moins des deux thyristors qui le constituent et est référencée à l'électrode située sur la face avant de ce triac, c'est-àdire la face qui comporte la borne de gâchette. Il en
résulte que l'autre face ou face arrière du triac qui est couram-
ment reliée à un radiateur est à la haute tension, ce qui pose
des problèmes d'isolement.
On considérera ci-après plus particulièrement des
commutateurs bidirectionnels du type décrit dans le brevet US-A-
6034381 (B3073) dont le déclenchement est assuré par application d'une tension entre une électrode de commande située sur la face avant du composant et une électrode principale située sur la face
opposée du composant.
La figure 1 représente un schéma électrique équivalent d'un tel commutateur bidirectionnel. Une électrode G de commande
du commutateur bidirectionnel est reliée à l'émetteur d'un tran-
sistor bipolaire T dont le collecteur est relié aux gâchettes d'anode de premier et deuxième thyristors Thl et Th2 placés en antiparallèle entre deux bornes A1 et A2. La borne A1 correspond à l'anode du thyristor Thl et à la cathode du thyristor Th2. La borne Ai est également reliée à la base du transistor T. La borne
A2 correspond à l'anode du thyristor Th2 et à la cathode du thy-
ristor Thl.
La figure 2 est une vue en coupe schématique d'un exemple de réalisation sous forme monolithique du commutateur bidirectionnel décrit en relation avec la figure 1. Le transistor T est réalisé dans la partie gauche de la figure, le thyristor
Thl au centre et le thyristor Th2 à droite.
La structure de la figure 2 est formée à partir d'un substrat semiconducteur 1 faiblement dopé de type N. L'anode du thyristor Thl correspond à une couche 2 de type P qui est formée du côté de la face arrière du substrat 1. Sa cathode correspond à une région 3 de type N formée du côté de la face avant dans un caisson 4 de type P. L'anode du thyristor Th2 correspond à un caisson 5 de type P formé du côté de la face avant et sa cathode correspond à une région 6 de type N formée du côté de la face arrière dans la couche 2. La périphérie de la structure est constituée d'une région 7 de type P fortement dopée s'étendant depuis la face avant jusqu'à la couche 2 de type P. De façon classique, la région 7 est obtenue par diffusion profonde à partir des deux faces du substrat. La face arrière est revêtue d'une métallisation M1 correspondant à la première borne Ai du commutateur bidirectionnel. Les faces supérieures des régions 3 et 5 sont revêtues d'une deuxième métallisation M2 correspondant à la deuxième borne A2 du commutateur bidirectionnel. Une région 8 de type N est formée, du côté de la face avant, dans un caisson 9 de type P en contact avec la région périphérique 7. La surface de la région 8 est solidaire d'une métallisation M3 reliée à la
borne de commande G du commutateur bidirectionnel. Une métallisa-
tion M4 peut être formée sur la surface supérieure de la région périphérique 7. La métallisation M4 n'est pas connectée à une borne externe. A titre de variante, le caisson 9 peut être séparé de la région périphérique 7 et relié électriquement à celle-ci
par l'intermédiaire de la métallisation M4.
Le fonctionnement de ce commutateur bidirectionnel est
le suivant.
Quand la borne A2 est négative par rapport à la borne A1, c'est le thyristor Thl qui est susceptible d'être passant. Si on applique sur la borne G une tension suffisamment négative par
rapport à la métallisation M1, la jonction base-émetteur du tran-
sistor T est polarisée en direct et ce transistor devient passant. Il circule donc un courant vertical ic représenté en pointillés en figure 2 depuis la métallisation Mi, à travers la jonction en direct entre la couche 2 et le substrat 1 puis dans les régions 1, 9 et 8 correspondant au transistor T. Il y a donc une génération de porteurs au niveau de la jonction entre le substrat 1 et le caisson 9 près de la jonction entre le substrat
1 et le caisson 4 et le thyristor Thl est mis en état de conduc-
tion. On peut également considérer que l'on a provoqué l'amorçage
d'un thyristor auxiliaire vertical NPNP comprenant les régions 8-
9-1-2, dont la région 9 constitue la région de gâchette de cathode. De même, dans le cas o la borne A2 est positive par rapport à la borne Ai, l'application d'une tension négative sur la borne G rend passant le transistor T. Les porteurs présents au voisinage de la jonction entre le substrat 1 et la couche 2 entraînent la mise en conduction du thyristor Th2 comme on le comprendra mieux en se référant à la vue de dessus schématique de la figure 4 dans laquelle on voit que la région correspondant au transistor T est voisine d'une portion de chacun des thyristors
Thl et Th2.
L'expérience montre que ce type de commutateur bidirec-
tionnel présente une sensibilité de commande non optimale, c'est-
à-dire, notamment que le courant nécessaire à l'amorçage du thy-
ristor Thl est de plusieurs centaines de milliampères.
La demanderesse a proposé dans la demande de brevet français non publiée 99/10412 (B4341) du 9 août 1999 un autre mode de réalisation sous forme monolithique d'un commutateur bidirectionnel du type susmentionné qui présente une plus grande sensibilité de commande du thyristor Thl. La figure 3 est une vue en coupe schématique d'un mode
de réalisation d'un tel commutateur bidirectionnel monolithique.
La structure des diverses zones formées dans le substrat semi-
conducteur 1 est identique à celle illustrée en figure 2. La dif-
férence entre les deux figures est qu'il est prévu du côté de la face arrière, entre la couche 2 et la métallisation M1, une région 10 ayant une fonction d'isolement, sensiblement au droit
du thyristor auxiliaire vertical susmentionné. Ceci ressort éga-
lement de la figure 4 dans laquelle le contour de la région 10 est désigné par un trait en pointillés à la partie inférieure gauche de la figure. La couche 6, non représentée en figure 4, occupe toute la face inférieure à l'exception de la zone située sous le caisson 4 de type P et de la surface occupée par la
région 10.
La région 10 est en un matériau semiconducteur dopé de
type N ou en un matériau isolant, de préférence en oxyde de sili-
cium (SiO2).
Le fonctionnement du commutateur bidirectionnel reste sensiblement similaire à ce qui a été décrit en relation avec la figure 2. Toutefois, le courant de base ib du transistor T, allant de la métallisation M1 vers la région 8 est maintenant dévié par la présence de la région 10, selon le trajet ib de la
figure 3.
Le courant principal du thyristor auxiliaire vertical est également dévié, comme le montrent les flèches ic. On voit qu'en modifiant les dimensions de la région 10, on favorise le passage du courant ic au voisinage des zones o il est le plus efficace pour provoquer l'amorçage du thyristor Thl, c'est-à-dire
près de la limite du caisson 4.
Les essais effectués par la demanderesse ont montré que le courant d'amorçage du thyristor Thl est minimisé lorsque la région 10 s'étend jusqu'à être en regard du caisson 4 de type P dans lequel est formée la région 3 de type N constituant la cathode du thyristor Thl. L'épaisseur de la région 10 doit être suffisamment faible pour permettre initialement l'amorçage du transistor T par le passage du courant ib de la couche 2 vers la région 8 par l'intermédiaire de la région périphérique 7. En effet, si la région 10 est trop épaisse, l'épaisseur restante de la couche 2 entre cette région 10 et le substrat 1 entraîne l'existence d'une trop forte résistance qui s'oppose à la circulation du courant de
base ib.
En pratique, l'épaisseur de la région 10 sera infé-
rieure à celle de la couche 6. En effet, la couche 6 constitue la cathode du thyristor Th2 et son épaisseur est fixée par les
caractéristiques, notamment de courant d'amorçage de ce seul thy-
ristor. L'épaisseur de la couche 6 sera par exemple de l'ordre de à 15 gm, alors que l'épaisseur de la région 10 sera aussi
faible que possible.
Un objet de la présente invention est d'améliorer les structures du type décrit précédemment et notamment d'en réduire
la surface à puissance égale.
Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un conmmutateur bidirectionnel monolithique formé dans un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité ayant une face
avant et une face arrière, comprenant un premier thyristor verti-
cal principal dont la couche de face arrière est du deuxième type de conductivité, un deuxième thyristor vertical principal dont la couche de face arrière est du premier type de conductivité, une région périphérique du deuxième type de conductivité s'étendant de la face avant à la face arrière, une première métallisation recouvrant la face arrière, une deuxième métallisation du côté de la face avant reliant les couches de face avant des premier et deuxième thyristors, et une région de gâchette du premier type de conductivité dans une partie de la surface supérieure de ladite
région périphérique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la région de gâchette est formée dans une partie plus fortement dopée de la surface supérieure de la région périphérique. Selon un mode de réalisation de la présente invention,
le commutateur comporte une région supplémentaire ayant une fonc-
tion d'isolement du côté de la face arrière entre la région péri-
phérique et la première métallisation, cette région supplémen-
taire étant interrompue sous les zones correspondant aux premier
et deuxième thyristors verticaux.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la région supplémentaire est en un matériau semiconducteur du
premier type de conductivité.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'épaisseur de la région supplémentaire est inférieure à celle de
la région de la face arrière du deuxième thyristor vertical prin-
cipal. Selon un mode de réalisation de la présente invention,
la région supplémentaire est en oxyde de silicium.
Ces objets, 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 est un schéma électrique d'un commutateur bidirectionnel classique; la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation classique du commutateur bidirectionnel de la figure 1; la figure 3 représente une variante du commutateur bidirectionnel de la figure 1; la figure 4 représente un exemple de vue de dessus du commutateur bidirectionnel de la figure 3; et la figure 5 est une vue en coupe schématique d'un
commutateur bidirectionnel selon la présente invention.
Comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les figures 2, 3, 4 et 5 ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 5 représente une structure selon la présente invention. Cette structure est de façon générale similaire à celle de la figure 3 et de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références. On notera quelques variantes. D'une part, les caissons 4 et 5 de type P du côté supérieur de la structure, correspondant à l'anode du thyristor Thl et à la région de gâchette de cathode du thyristor Th2 sont confondus en un seul et même caisson. D'autre part, on a mieux représenté en figure 5 les
structures d'isolement et de tenue en tension. Plus particulière-
ment, les murs d'isolement latéraux 7 sont de façon classique formés par diffusion profonde d'un dopant de type P à partir des surfaces supérieure et inférieure du substrat. Classiquement, ces murs d'isolement ont un niveau de dopage en surface de l'ordre de 1016 à 1017 at./cm3 et un niveau de dopage à leur jonction de l'ordre de 1014 à 1015 at./cm3, tandis que le substrat 1 de type N a un niveau de dopage de l'ordre de 1013 à 1014 atomes/cm3. En outre, on a représenté du côté de la face supérieure, un anneau 21 de type N qui sert de façon classique de région d'arrêt de canal et qui est revêtu d'une métallisation 22. La métallisation 22 n'est généralement pas connectée à une borne extérieure et s'étend éventuellement pour former plaque de champ. Enfin, à la périphérie externe des murs d'isolement 7 est classiquement formée une région 24 plus fortement dopée de type P et revêtue d'une métallisation 25, également destinée à assurer une
meilleure tenue en tension.
Selon une caractéristique essentielle de la présente invention, la région de déclenchement solidaire d'une gâchette G est une région 27 revêtue d'une métallisation M3. La région 27 est formée dans la région supérieure du mur d'isolement 7, et de préférence dans une région plus fortement dopée 24 à la partie
supérieure de ce mur d'isolement.
Cette disposition se distingue de la disposition de
l'art antérieur dans laquelle la région de déclenchement, dési-
gnée par la référence 8 en figures 2 et 3 était disposée dans un prolongement 9 du mur d'isolement 7. Cette disposition était cohérente avec l'explication qui était donnée du fonctionnement
du composant, et plus particulièrement de la présence d'un thy-
ristor auxiliaire aidant au déclenchement par suite de la généra-
tion d'un courant ic.
La demanderesse s'est aperçue qu'une zone de gâchette 27 disposée de la façon représentée schématiquement en figure 5 suffisait à assurer le déclenchement du thyristor auxiliaire désigné par la référence th en figure 5. On peut alors penser que les porteurs générés par circulation d'un courant de gâchette depuis la métallisation M3 vers la borne Al suffisent à engendrer
des porteurs dans le substrat 1 de type N, ces porteurs permet-
tant d'assurer ensuite le déclenchement de l'un ou l'autre des
thyristors Thl ou Th2.
Les mesures effectuées par la demanderesse ont montré
que le dispositif selon la présente invention présentait une sen-
sibilité de déclenchement distincte de celle des structures de l'art antérieur mais que la différence de sensibilité était en
fait négligeable.
Par exemple, pour une structure telle que représentée
en figure 5, on a constaté des courants de déclenchement respec-
tivement de 2,1 et de 2,9 milliampères quand la structure était soumise à une tension de 12 volts et, respectivement dans les quadrants Q2 (A2 positif par rapport à Al) et Q3 (A2 négatif par rapport à Al). Par contre, avec la structure de l'art antérieur, les courants correspondants étaient respectivement de 1,7 et de ,1 mA. Ainsi, la structure selon la présente invention a sensi- blement la même sensibilité en déclenchement dans le deuxième quadrant et une sensibilité plus importante en déclenchement dans
le troisième quadrant.
Un avantage important de la présente invention réside dans une diminution de taille notable par rapport à la structure de l'art antérieur. En pratique, dans des composants réels, on a constaté un gain de place de l'ordre de 6% par puce. Un autre avantage de la structure de la présente invention est que les dimensions peuvent être encore minimisées de fait que la tenue en
tension du système est meilleure puisque la structure est parfai-
tement symétrique.
La présente invention a été décrite plus particulière-
ment dans le cas d'une structure munie du côté de la face arrière d'une zone d'isolement 10. En fait, la présente invention peut
s'appliquer à toute structure de composant bidirectionnel ou uni-
directionnel dans laquelle le déclenchement est assuré par pola-
risation d'une zone d'un type de conductivité opposé à un caisson
s'étendant jusqu'à la face arrière.
La présente invention est susceptible de diverses
variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art.
En particulier, tous les types de conductivité pourraient être inversés, les polarisations étant alors modifiées de façon
correspondante.
Claims (6)
1. Commutateur bidirectionnel monolithique formé dans un substrat semiconducteur (1) d'un premier type de conductivité ayant une face avant et une face arrière, comprenant: un premier thyristor vertical principal (Thl) dont la couche de face arrière (2) est du deuxième type de conductivité, un deuxième thyristor vertical principal (Th2) dont la couche de face arrière (6) est du premier type de conductivité,
une région périphérique (7) du deuxième type de conduc-
tivité s'étendant de la face avant à la face arrière, une première métallisation (Mi) recouvrant la face arrière, une deuxième métallisation (M2) du côté de la face avant reliant les couches de face avant des premier et deuxième thyristors, caractérisé en ce qu'il comporte une région de gâchette (27) du premier type de conductivité dans une partie de la
surface supérieure de ladite région périphérique.
2. Commutateur bidirectionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région de gâchette est formée dans une partie plus fortement dopée de la surface supérieure de ladite
région périphérique.
3. Commutateur bidirectionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une région supplémentaire (10) ayant une fonction d'isolement du côté de la face arrière entre ladite région périphérique et la première métallisation, cette
région supplémentaire étant interrompue sous les zones correspon-
dant aux premier et deuxième thyristors verticaux.
4. Commutateur bidirectionnel selon la revendication 3, caractérisé en ce que la région supplémentaire (10) est en un
matériau semiconducteur du premier type de conductivité.
5. Commutateur bidirectionnel selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la région supplémentaire (10) est inférieure à celle de la région de la face arrière du
deuxième thyristor vertical principal (Th2).
6. Commutateur bidirectionnel selon la revendication 3, caractérisé en ce que la région supplémentaire (10) est en oxyde
de silicium.
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