FR2834128A1 - Dispositif de protection bidirectionnel a faible capacite - Google Patents
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Abstract
Dispositif (40) de protection bidirectionnel contre les surtensions à faible capacité destiné à être utilisé à hautes fréquences, comprenant des première et seconde diodes de Schockley unidirectionnelle discrètes (41, 42), la cathode et l'anode de la première diode étant connectées respectivement à l'anode et à la cathode de la seconde diode, les tensions de retournement de chaque diode étant comprises entre 50 et 125 V.
Description
DISPOSITIF DE PROTECTION BIDIRECTIONNEL À FAIBLE Q PACITÉ
La présente invention conceme un dispositif de protection bidirectionnel à faible capacité contre les surtensions. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif de protection bidirectionnel destiné à des applications à hautes fréquences. La figure 1 représente une structure classique de dispositif 10 de protection bidirectionnel. Comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les différentes
régions ne sont pas tracées à l'échelle.
Le dispositif 10 est constitué d'un circuit monoli thique dans lequel sont réalisées deux diodes de Schockley verti cales en antiparallèle. La première diode de Schockley verticale 11 est représentée sur la gauche de la figure 1, et la deuxième diode de Schockley verticale 12 sur la partie droite de la
figure 1.
Le circuit monolithique comprend un substrat 15 de type de conductivité N. faiblement dopé. Le substrat 15 comprend un caisson 16 de type de conductivité P fortement dopé du côté de sa face supérieure 17, et un caisson 18 du type de conduc
tivité P fortement dopée du côté de sa face inférieure 19.
La première diode de Schockley 11, situce sur la gauche de la figure 1, comprend une région enterrée intermé diaire 20, du type de conductivité N. plus fortement dopée que le substrat 15 mais nettement moins dopée que le caisson de type P 16, disposce à l' interface entre le caisson de type P 16 et le substrat 15, et une région de cathode de type N 21, fortement dopée, disposée du côté de la face supérieure 17 du substrat 15 dans le caisson de type P 16. La région de cathode 21 consiste, par exemple, en anneaux concentriques espacés, en bandes
parallèles, ou en îlots répartis selon un réscau.
De façon analogue, la deuxième diode de Schockley 12, située sur la droite de la figure 1, comprend une région enterrée 22 de type de conductivité N. et une région de cathode
de type N 23, fortement dopée.
Des couches isolantes supérieure 26 et inférieure 27 recouvrent respectivement la périphérie des faces supérieure 17
et inférieure 19 du substrat 15.
Des couches métalliques supérieure 30 et inférieure 31 recouvrent respectivement les faces supérieure 17 et inférieure 19 du substrat 15. La couche de métallisation supérieure 31 joue le rôle d'électrode de cathode de la première diode de Schockley 11 en étant connectée à la région de cathode de type N 21, et d'électrode d' anode de la deuxième diode de Schockley 12 en étant connectée au caisson de type P 16. La couche de métallisation inférieure 30 joue le rôle d'électrode d' anode de la première diode de Schockley 11 en étant connoctée au caisson de type P 18, et le rôle d'électrode de cathode de la deuxième diode de Schockley 12 en étant connectée à la région de cathode de type N 23. Les couches de métallisation supérieure 30 et inférieure 31 sont connectées à des bornes A et B du dispositif 10. De facon classique, lorsque la tension appliquée aux bornes du dispositif 10 de protection bidirectionnel est comprise entre des tensions de retournement positive et néga
tive, le dispositif 10 est non passant, et dit à l'état bloqué.
Lorsque la tension est supérieure à la tension de retournement positive ou inférieure à la tension de retournement négative, le dispositif est passant Pour que le dispositif bascule de l'état passant à l'état bloqué, il faut que le courant qui le traverse
diminue en dessous d'un niveau de seuil.
Pour que les deux tensions de retournement aient sensi blement la même valeur absolue, il faut que les concentrations de dopants respectivement des régions enterrées 20 et 22, et des
caissons de type P 16 et 18 soient identiques.
A l'état bloqué, le dispositif 10 de la figure 1 présente une capacité totale qui peut être élevée ce qui s'avère être un inconvénient lors de l'utilisation du dispositif 10 de protection pour des applications à hautes fréquences, par exemple
des applications dans les télécommunications.
Une possibilité pour diminuer la capacité totale du dispositif 10 à l'état bloqué est de remplacer un dispositif 10
ayant la tension de retournement souhaitée par deux sous-
dispositifs 10 identiques montés en série ayant chacun une tension de retournement égale à la moitié de la tension de
retournement totale souhaitée. Les capacités des sous-dispo-
sitifs élémentaires étant montées en série, la capacité totale
est égale à la capacité d'un sous-dispositif divisée par deux.
Toutefois, il apparaît que lorsque l'on divise par deux la tension de retournement du dispositif bidirectionnel de la figure 1,
ce qui peut être obtenu par exemple en augmentant la concen-
tration de dopants des régions enterrées 20, 22 (les concentra tions de dopants des caissons 16, 18 restant fixes), sa capacité augmente. Ainsi, la diminution de capacité obtenue par le mon
tage en série est moindre que celle escomptée.
La présente invention vise à obtenir un dispositif de
protection bidirectionnel ayant une faible capacité.
Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un dispositif de protection bidirectionnel contre les surten sions à faible capacité destiné à être utilisé à hautes fré quences, comprenant des première et seconde diodes de Schockley unidirectionnelle discrètes, la cathode et l' anode de la première diode étant connectées respectivement à l' anode et à la cathode de la seconde diode, les tensions de retournement de chaque diode étant comprises entre 50 et 125 V. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque circuit monolithique comporte un substrat d'un premier type de conductivité faiblement dopé, un premier caisson d'un second type de conduct ivité fortement dopé inc. luant une première région du premier type de conductivité fortement dopée, une deuxième région intermédiaire du premier type de conductivité situce entre le substrat et le premier caisson, plus fortement dopée que le substrat et moins que le premier caisson, et un deuxième caisson du second type de conductivité fortement dopée, la capacité, lorsque la diode est non passante, associée à la jonction entre le premier caisson et la deuxième région étant supérieure à la capacité associée à la jonction entre le substrat
et le deuxième caisson.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la concentration de dopants du deuxième caisson de type P est inférieure à la concentration de dopants du premier caisson de type P. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la concentration de dopants du substrat est denviron 5*1o15 atomes/cm3, et en ce que, au voisinage de la jonction entre le premier caisson et la deuxième région, la concentration en dopants de la deuxième région est supérieure à 1*1016 atomes/cm3 et la concentration en dopants du premier caisson est de 4*1018 atomes/cm3. La présente invention prévoit également un procédé de fabrication d'un dispositif de protection bidirectionnel contre les surtensions, destiné à des applications à hautes fréquences, comprenant les étapes consistant à réaliser deux diodes de Schockley sur deux circuits monolithiques distincts, chaque diode ayant une tension de retournement comprise entre 50 et 125 V; et connecter la cathode et l' anode de la première diode respectivement à l' anode
et à la cathode de la seconde diode.
Cet objet, ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail
dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier
faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, représente, de façon schématique, un circuit monolithique integrant un dispositif classique de protection bidirectionnel; la figure 2 représente un circuit de capacités équi valent du dispositif de la figure 1;
la figure 3 représente, de façon schématique, le dispo-
sitif de protection bidirectionnel selon la présente invention;
la figure 4 représente un circuit de capacités équi-
valent du dispositif de la figure 3; la figure 5 illustre une courbe représentative du rapport des capacités totales du dispositif selon l' invention et du dispositif de la figure 1 en fonction du rapport de capacités de jonctions du dispositif selon l' invention; et la figure 6 illustre une courbe représentative du rapport des capacités totales du dispositif selon l' invention et du dispositif de la figure 1 en fonction de la tension de retournement du dispositif selon l' invention La présente invention est le fruit d'une étude sur la répartition des capacités dans la structure interne du dispo sitif 10 de la figure 1 qui contribuent à la capacité totale,
notée Ct. du dispositif 10.
A l'état bloqué, du côté de la première diode de Schockley 11, la jonction entre le caisson de type P 16 et la région enterrce de type N 20, présente une première capacité, notée C1, tandis que la jonction entre le substrat 15 et le caisson de type P 18 présente une seconde capacité, notée C2. De façon analogue, du côté de la deuxTème diode de Schockley 12, la jonction entre le caisson de type P 16 le substrat 15, présente la capacité C2, tandis que la jonction entre le caisson de type P 18 et la région enterrée 22 présente la capacité C1. Pour les deux diodes de Schockley, des portions des caissons de type P 16, 18 qui contactent les couches métalliques 30, 31, au niveau des régions de cathode de type N associées 21, 23 jouent, de façon classique, le rôle de courts-circuits d'émetteur de sorte qu'aucune capacité n'est associée à la jonction entre les régions
de cathode de type N 21, 23 et les caissons de type P 16, 18.
La figure 2 représente un circuit électrique équi-
valent du dispositif 10 de la figure 1 en ne considérant que les capacités. Le circuit équivalent est constitué par les deux capacités en parallèle C1 et C2, correspondant aux jonctions situées du côté de la face supérieure 17, montées en série avec les deux capacités en parallèle C2 et C1, correspondant aux jonctions situées du côté de la face inférieure 19. La capacité totale équivalente Ct du dispositif 10 est alors donnée par la relation suivante Ct = (C1 + C2)/2 De façon qualitative, si la capacité C1 est nettement
supérieure à la capacité C2, Ct est proche de C1/2.
Comme cela est représenté sur la figure 3, la présente invention propose d'utiliser comme dispositif de protection 40 un assemblage en antiparallèle de première et deuxième diodes de
Schockley verticales unidirectionnelles et discrètes 41 et 42.
Les diodes 41, 42 ont une structure identique, la deuxième diode 42, située à droite de la figure 3, étant représentée à l'envers par rapport à la première diode 41, située à gauche sur la figure 3. Par la suite, seule la première diode 41 sera décrite
en détail.
La première diode 41 comprend un substrat 43 de type N faiblement dopé. Le substrat 43 comprend, du côté de sa face supérieure 44, un caisson de type P 45, fortement dopé. Une région enterrée 46 de type N est disposée à l' interface entre le substrat 43 et le caisson de type P 45. La région enterrée 46 a une concentration de dopants supérieure à la concentration de dopants du substrat 43 et inférieure à celle du caisson de type P 45. e substrat 43 comprend, du côté de sa face inférieure 47, un caisson d' anode de type P fortement dopé 48. Du côté de la face supérieure 44 est réalisée une région de cathode de type N 49, dans le caisson de type P 45, par exemple sous forme d'anneaux concentriques séparés, de bandes parallèles espacées ou d'un réseau d'îlots. Des couches isolantes supérieure 52 et inférieure 53 recouvrent respectivement les périphéries des faces supérieure
54 et inférieure-57 du substrat 43.
Une couche métallique supérieure de cathode 56 contacte, du côté de la face supérieure 44, le caisson du type P 45 et la région de cathode de type N 49. Une couche métallique inférieure d' anode 57 contacte, du côté de la face inférieure 46, le caisson
d' anode de type P 48.
Comme cela a été indiqué précédemment, la deuxième diode 42 présente une structure analogue à celle du premier circuit monolithique 41 mais est représenté à l'envers sur la
figure 3.
L' anode de la première diode de Schockley est connectée par une liaison électrique 58 à la cathode de la seconde diode de Schockley. La cathode de la première diode de Schockley est connectée par une liaison électrique 59 à l' anode de la seconde diode de Schockley. Les bornes du dispositif 40 sont désignées par les références A et B. Les diodes de Schockley sont donc connectées entre elles de la même façon que pour le dispositif 10 de la figure 1. Le fonctionnement général du dispositif 40 selon l' invention est similaire à celui du dispositif 10 de la
figure 1.
Toutefois, comme cela va être détaillé par la suite, la capacité équivalente totale, notée CT, du dispositif 40 selon l' invention, lorsque les diodes de Schockley sont bloquées, est
différente de celle du dispositif 10 de la figure 1.
La figure 4 représente un circuit électrique équi-
valent du dispositif 40 selon l' invention en ne considérant que les capacités. Pour chaque circuit monolithique 41, 42, on trouve en série une première capacité, correspondant à la capacité de la jonction J1 entre la région enterrce de type N 46 et le caisson de type P 45, et une deuxième capacité correspondant à la capacité de la jonction J2 entre le caisson de type P 48 et le substrat 43. Des portions du caisson de type P 45 contactant la couche métallique supérieure de cathode 56, au niveau de la
région de cathode 49 jouent, de façon connue, le rôle de courts-
cTrcuits d'émetteur de sorte qu'aucune capacité n'est associée à la jonction entre la région de cathode 49 et le caisson de type P 45 pour les deux diodes 41, 42. Lorsque les concentrations de dopants des diverses régions des diodes 41, 42 sont les mêmes que celles du dispositif 10 de la figure 1, les capacités correspondantes sont sensiblement égales. Pour simplifier la comparaison, on appelle ces capacités C1 et C2 en figure 4 comme
en figure 2.
La capacité totale équivalente CT du dispositif 40 selon l' invention correspond à la mise en parallèle les deux capacités C1 et C2 en série du circuit monolithique 41 avec les deux capacités C1 et C2 en série du circuit monolithique 42. La capacité totale équivalente CT est donc donnée par la formule suivante:
CT = 2*(C1 * C2)/(C1 + C2)
De façon qualitative, si la capacité C1 a une valeur beaucoup plus grande que la capacité C2, CT est proche de 2*C2 et est nettement plus petite que la capacité Ct susmentionnée
qui était proche de C1/2.
La figure 5 illustre une courbe 60 représentative du rapport des capacités totales Ct et CT en fonction du rapport des capacités C1 et C2. La capacité C1 étant touj ours supérieure à la capacité C2, la courbe 60 est tracée pour des valeurs de
C1/C2 supérieures à 1.
Plus le rapport des capacités C1/C2 est élevé, plus le rapport des capacités Ct/CT est élevé. Cela signifie que plus la capacité C2 est faible par rapport à la capacité C1, plus la capacité équivalente totale CT du dispositif 40 selon l'inven tion est faible par rapport à la capacité équivalente totale Ct
du dispositif 10 de la figure 1.
Le dispositif 40 selon l' invention présente, du seul fait que les diodes de Schockley sont réalisées de facon discrète, une capacité totale CT inférieure à celle du dispo- sitif 10 de la figure 1 dans lequel les deux diodes de Schockley sont intégrées sur un unique circuit monolithique. Ainsi, bien
que la tendance actuelle consiste à intogrer plusieurs compo-
sants dans un même circuit monolithique dès que cela est techni quement envisageable, la présente invention montre bien que,
pour résoudre le problème posé, il est particulièrement avanta-
geux d'avoir une structure o chaque composant est réalisé de
facon discrète.
La figure 6 illustre une courbe 61 représentative du rapport entre les capacités totales Ct/CT en fonction de la
tension de retournement des diodes de Schockley (supposées iden-
tiques pour les deux diodes).
Pour chaque diode de Schockley, la tension de retour-
nement est essentiellement déterminée par la différence de concen tration de dopants de part et d'autre de la jonction J1. La courbe 61 est tracée en supposant que, pour chaque diode de Schockley du dispositif 40 selon l' invention, les concentrations des caissons de type P 45 et 48 sont fixes et identiques et que la concentration de la région enterrée de type N 46 varie selon la tension de retournement souhaitée. On suppose aussi que, pour le dispositif 10 de la figure 1, les concentrations des caissons de type P 16 et 18 sont fixes et identiques et que les concentrations des régions enterréss 20 et 22 sont identiques et
choisies en fonction de la tension de retournement souhaitée.
Les capacités C1 et C2 sont déterminées par les concentrations de dopants des régions qui forment les jonctions auxquelles elles sont associées. Ainsi, la courbe 61 est tracée à capacité C2
constante et capacité C1 variable.
La courbe 61 illustre le fait que le rapport entre les capacités totales Ct/CT est le plus élevé pour des tensions de retournement proches de 50 V, et diminue lorsque la tension de retournement augmente (ce qui correspond à une diminution de la capacité C1). Le dispositif 40 selon la présente invention présente donc une capacité totale CT d'autant plus faible par rapport à la capacité totale Ct du dispositif 10 de la figure 1 que la tension de retournement est faible. Pour une tension de retournement de 125 V, la capacité totale CT est déjà inférieure à Ct de plus de 201. Pour une tension de retournement de 58 V, la capacité totale CT est inférieure à Ct de plus de 40. La présente invention trouve donc une application particulièrement avantageuse pour des tensions de retournement comprises entre 50 V et V. A titre d'exemple, un rapport de capacités Ct/CT d' environ 1,7 est obtenu pour une tension de retournement de 58 V qui correspond à une concentration de dopants de substrat 15, 43 de 5*1015 atomes/cm3, une concentration de dopants des couches enterrées de type N 20, 22, 46 résultant d'une concentration de surface comprise entre 2*1017 et 6*1017 atomes/cm3, et des concentrations de dopants des caissons de type P 16, 18, 45, 48 résultant d'une concentration de surface comprise entre 2*1018
et 8*1018 atomes/cm3.
Pour une tension de retournement fixée, il est possible de diminuer encore le rapport Ct/CT en diminuant la capacité C2 de la jonction entre le substrat 43 et le caisson de type P 48. En effet, étant donné les expressions des capacités totales CT et Ct. une diminution de la capacité C2 entraîne une diminution importante de la capacité totale CT alors qu'elle
influe moins sur la capacité totale Ct.
Pour diminuer la capacité C2, on cherche à obtenir une tension d' avalanche de la jonction entre le substrat 43 et le - caisson de type P 48. Pour ce faire, il est possible de diminuer la concentration de dopants du caisson P 48 au voisinage de la jonction J2. Ceci peut être obtenu en réalisant un caisson de type P 48 plus profond. A titre dexemple, pour une concen tration de surface de dopants d' environ 4*1018 atomes/cm3, et une profondeur du caisson 48 de 20 m, on obtient un rapport Ct/CT de 1,7, pour une concentration de surface de dopants d' environ 1*1018 atomes/cm3, et une profondeur du caisson 48 de m, on obtient un rapport Ct/CT de 2,12, et pour une concen tration de surface de dopants d' environ 3*1016 atomes/cm3, et une profondeur du caisson 48 de 30 m, on obtient un rapport
Ct/CT de 1, 95.
Le fait que les diodes de Schockley 41, 42 du dispositif 40 selon l' invention sont réalisées sur des circuits monolithiques distincts 41, 42, permet de fixer des concen trations de dopants différentes pour les caissons de type P 45 et 48, et ainsi diminuer C2. Lorsque le dispositif bidirec tionnel est réalisé sur un circuit monolithique unique, il n'est en pratique pas possible de modifier localement les concen trations de dopants des caissons de type P 16 et 18 dans le but de réduire la capacité C2, ce qui, en outre, comme cela a été déjà mentionné précédemment, n'entraîne qu'une faible diminution
de la capacité totale Ct.
Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les circuits monolithiques peuvent comporter des anneaux de garde du côté des faces supérieure et inférieure entourant les caissons de type P afin d'éviter de mettre en court-circuit le substrat et les caissons de type P lors du dépôt des couches métalliques. En outre, le dispositif selon l' invention a été décrit avec des tensions de retournement de même valeur absolue. Il est clair qu'en réalisant les diodes de Schockley 41, 42 de façon discrète, il est possible de fixer facilement des concentrations de dopants différentes pour les
caissons de type P 45, et ainsi obtenir un dispositif bidirec-
tionnel 40 ayant des tensions de retournement positive et négative
de valeurs différentes.
Claims (6)
1. Dispositif (40) de protection bidirectionnel contre les surtensions à faible capacité destiné à être utilisé à hautes fréquences, comprenant des première et seconde diodes de Schockley unidirectionnelle discrètes (41, 42), la cathode et l' anode de la première diode étant connectées respectivement à l' anode et à la cathode de la seconde diode, les tensions de retournement de chaque diode étant comprises entre 50 et 125 V.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque circuit monolithique (41, 42) comporte un substrat (43) d'un premier type de conductivité faiblement dopé, un premier caisson (45) d'un second type de conductivité fortement dopé incluant une première région (49) du premier type de conductivité fortement dopée, une deuxième région intermédiaire (46) du premier type de conductivité située entre le substrat et le premier caisson, plus fortement dopée que le substrat et moins que le premier caisson (45), et un deuxième caisson (48) du second type de conductivité fortement dopée, la capacité (C1), lorsque la diode est non passante, associée à la jonction (J1) entre le premier caisson et la deuxième région étant supérieure à la capacité (C2) associée à la jonction (J2) entre
le substrat et le deuxième caisson.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le deuxième caisson est de type P. la concentration de dopants dudit deuxième caisson (48) étant inférieure à la
concentration de dopants du premier caisson (45).
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la concentration de dopants du substrat (43) est d' environ *1015 atomes/cm3, et en ce que, au voisinage de la jonction (J1) entre le premier caisson (45) et la deuxième région (46), la concentration en dopants de la deuxième région est supérieure à 1*1016 atomes/cm3 et la concentration en dopants du premier
caisson est de 4*1018 atomes/cm3.
5. Procédé de fabrication d'un dispositif (40) de protection bidirectionnel contre les surtensions, destiné à des applications à hautes fréquences, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: réaliser deux diodes de Schockley sur deux circuits monolithiques distincts (41, 42), chaque diode ayant une tension de retournement comprise entre 50 et 125 V; et - connocter la cathode et l' anode de la première diode
respectivement à l' anode et à la cathode de la seconde diode.
6. Circuit électrique comprenant un dispositif de
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