FR2982077A1 - Triac a amplification de gachette - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un triac à amplification de gâchette comprenant dans un substrat semiconducteur (1) d'un premier type de conductivité un triac vertical (TR) et un transistor bipolaire latéral (T) dont l'émetteur est relié à la gâchette du triac, la base à une borne de commande et le collecteur à une borne destinée à être connectée à une première tension de référence (GND), la borne principale du triac du côté du transistor étant destinée à être connectée à une deuxième tension de référence (VCC), le transistor étant réalisé dans un premier caisson (30) du deuxième type de conductivité et le triac comprenant du côté du transistor un deuxième caisson (3) du deuxième type de conductivité, les premier et deuxième caissons étant réalisés de sorte que la tension de claquage substrat-caisson du transistor est supérieure à la tension de claquage substrat-caisson du triac d'au moins la différence entre les première et deuxième tensions de référence.

Description

B11216 - 11-T0-0520 1 TRIAL À AMPLIFICATION DE GÂCHETTE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des composants de puissance destinés à commander le passage de courants alternatifs, et plus particulièrement les triacs.
Exposé de l'art antérieur De façon générale, on souhaite actuellement commander un triac directement par la sortie de circuits intégrés (contrôleurs ou processeurs). Toutefois ces circuits intégrés sont peu aptes à fournir des courants suffisants pour la mise en conduction d'un triac. On a donc prévu divers types de triacs intégrant un élément d'amplification de courant de gâchette. L'une des solutions les plus couramment utilisées consiste à connecter la gâchette d'un triac principal par l'intermédiaire d'un thyristor ou triac auxiliaire de petite dimension pouvant être commandé par un courant faible. Une autre solution a été de commander la gâchette d'un triac par l'intermédiaire d'un dispositif à effet de champ, par exemple un transistor MOS. Tous ces dispositifs classiques d'amplification de courant de gâchette présentent divers inconvénients. Notamment, l'utilisation de transistors à effet de champ implique de prévoir des étapes de fabrication qui ne sont pas normalement prévues dans la fabrication des triacs et autres composants de B11216 - 11-T0-0520 2 puissance. Les triacs à amplification de gâchette par thyristor ou triac auxiliaire nécessitent souvent des circuits de commande peu simples devant inclure des circuits d'isolement (transformateurs ou coupleurs optiques).
Ainsi, il existe un besoin d'un triac à amplification de courant de gâchette qui soit simple à fabriquer et qui soit simple à commander. Résumé Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un triac à amplification de gâchette comprenant dans un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité un triac vertical et un transistor bipolaire latéral dont l'émetteur est relié à la gâchette du triac, la base à une borne de commande et le collecteur à une borne destinée à être connectée à une première tension de référence, la borne principale du triac du côté du transistor étant destinée à être connectée à une deuxième tension de référence, le transistor étant réalisé dans un premier caisson du deuxième type de conductivité et le triac comprenant du côté du transistor un deuxième caisson du deuxième type de conductivité, les premier et deuxième caissons étant réalisés de sorte que la tension de claquage substrat-caisson du transistor est supérieure à la tension de claquage substrat-caisson du triac d'au moins la différence entre les première et deuxième tensions de référence.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier caisson est moins dopé que le deuxième caisson. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les contours du premier caisson comprennent des coins à plus fort rayon de courbure que les coins du contour du deuxième 30 caisson. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le triac est isolé latéralement par un mur d'isolement périphérique du deuxième type de conductivité et dans lequel le premier caisson est formé en même temps que la partie du mur 35 d'isolement située du côté du transistor.
B11216 - 11-T0-0520 3 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 5 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente sous forme de circuit un mode de réalisation d'un triac à amplification de gâchette ; les figures 2A et 2B sont respectivement une vue en coupe et une vue de dessus d'un triac à amplification de 10 gâchette par transistor ; et la figure 3 illustre une variante de la vue de dessus de la figure 2B. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures 15 et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée On propose ici de fabriquer sous forme de circuit 20 monolithique un triac à amplification de gâchette par un transistor bipolaire. Comme l'illustre la figure 1, un triac TR a des bornes principales K et A destinées à être connectées à une charge et à une source d'alimentation alternative, par exemple le réseau 25 d'alimentation électrique. La borne K est en outre reliée à la borne VCC d'une source d'alimentation continue dont l'autre borne est reliée à une masse GND. La gâchette G du triac est connectée à l'émetteur d'un transistor PNP T dont le collecteur est relié à la borne GND et dont la base constitue la borne de 30 commande C du système. Ainsi, le composant de puissance comprend quatre bornes A, K, C et GND et non, comme cela est d'usage, seulement trois bornes A, K et G. Le triac TR est rendu passant quand la borne C est reliée à la masse, ce qui rend le transistor PNP T passant et entraîne que la gâchette du triac est 35 reliée à la masse. Un courant de commande circule alors de la B11216 - 11-T0-0520 4 borne K, au potentiel VCC, à la borne GND. Ainsi, le triac peut être commandé dans les quadrants 2 et 3, c'est-à-dire quelle que soit la polarité de la tension alternative entre les bornes K et A pour un courant de gâchette négatif. Un tel circuit permet de commander le triac avec une faible puissance sur la borne C, cette puissance devant seulement être suffisante pour bloquer ou rendre passant le transistor T. Ainsi, la borne C peut recevoir directement les signaux de sortie d'un processeur de commande. Les figures 2A et 2B sont respectivement une vue en coupe et une vue de dessus d'un triac à amplification de gâchette par un transistor bipolaire mettant en oeuvre sous forme monolithique le circuit de la figure 1. La figure 2B est une vue de dessus représentant une topologie réelle possible d'un tel triac à amplification de courant de gâchette. Par contre, la figure 2A ne représente pas une topologie réelle et ne correspond pas à une ligne de coupe de la vue de dessus de la figure 2. Par souci de lisibilité, pour montrer les divers éléments importants du triac et du transistor, le transistor T est représenté à côté du triac TR.
Le triac TR est un triac vertical classique. Il est formé dans un substrat 1 faiblement dopé de type N et comprend, du côté de la face supérieure, un caisson P 3 dans lequel est formée une région fortement dopée de type N (N+) 5. La plus grande partie du reste du caisson 3 est occupée par une zone plus fortement dopée de type P (P+) 7. Le caisson 3 contient également une région 9 de type N ou région de gâchette. Du côté de la face inférieure du substrat est formée uniformément une couche 11 dopée de type P dans laquelle on trouve, en regard de la région N+ 5 une région P+ 13, et, en regard de la région de type P+ 7 et de la région de gâchette 9, une région fortement dopée de type N 15. L'ensemble de la face inférieure est revêtue d'une métallisation d'anode M-A. Les couches N+ 5 et P+ 7 formées dans le caisson 3 sont revêtues d'une métallisation de cathode M-K. La région de gâchette 9 du triac est revêtue d'une B11216 - 11-T0-0520 métallisation de gâchette M-G qui est également en contact avec une partie du caisson 3. En outre, on a illustré une structure dite à caisson, dans laquelle l'ensemble du composant est entouré d'un mur 5 diffusé de type P 20, généralement constitué de diffusions profondes formées à partir des faces inférieure et supérieure du triac. On a également illustré un anneau d'arrêt de canal 22 fortement dopé de type N du côté de la face supérieure. La structure est représentée de façon plus réaliste, bien que non à l'échelle, dans la vue de dessus de la figure 2B dans laquelle les différentes zones sont désignées par les mêmes références qu'en figure 2A. La représentation de la figure 2B est arrêtée au niveau de la zone d'arrêt de canal 22. De façon classique, la région de gâchette 9 est située au voisinage des régions N+ 5 et P+ 7. En figure 2B, les contours des métallisations sont désignés par des lignes en tirets longs. On a représenté en outre, par des lignes en tirets courts, le contour de la région N+ 15 de face inférieure. On a décrit ci-dessus un triac TR classique comprenant deux thyristors tête bêche, un thyristor NPNPP+ 5-3-1-11-13 et un thyristor P+PNPN 7, 3, 1, 11, 15. De nombreuses variantes d'un tel triac apparaîtront à l'homme de l'art, la description précédente ne constituant qu'un exemple de topologie de triac. Par exemple, en ce qui concerne la périphérie, celle-ci pourrait être constituée d'une structure de type mésa comprenant des tranchées profondes remplies d'un isolant séparant les caissons P 3 et 30 de la périphérie 20. En outre, de façon classique, les zones N+ 5 et 15 des faces supérieure et inférieure sont généralement munies d'ouvertures (courts-circuits d'émetteur) destinées notamment à optimiser des paramètres de fonctionnement tels que la sensibilité du triac et sa capacité à supporter des fronts de tension. Le composant des figures 2A et 2B, en plus du triac vertical TR décrit ci-dessus, comprend un transistor latéral T.
35 Ce transistor latéral, de type PNP dans l'exemple représenté, B11216 - 11-T0-0520 6 est formé dans un caisson de type P 30 (caisson de collecteur) dans lequel sont formées une région de base 31 et une région d'émetteur 32, respectivement de type N et P. Le caisson 30 est disposé suffisamment près du caisson 3 pour que, quand une tension est appliquée aux bornes du triac, une partie du champ électrique soit tenue dans le substrat N 1, de façon à limiter le champ électrique devant être supporté dans l'oxyde séparant en surface les deux caisson 30 et 3 et sur lequel se trouve la métallisation reliant l'émetteur du transistor et la gâchette du triac. Il est prévu des métallisations de collecteur, de base et d'émetteur destinées à être connectées de la façon représentée en figure 1. La métallisation de collecteur est désignée par la référence M-GND, la métallisation de base par la référence M-C, C désignant une borne de commande, et la métallisation d'émetteur M-E est reliée à la métallisation de gâchette M-G du triac, et ne constitue avec elle qu'une seule et même métallisation. Les parties de la surface supérieure non en contact avec une métallisation sont revêtues d'une couche isolante, non référencée. Dans la vue en coupe de la figure 2A, on a représenté, sous chacune des métallisations, une zone plus fortement dopée, non référencée, destinée à assurer l'ohmicité des contacts. Les inventeurs ont noté qu'une telle structure posait des problèmes dans le cas de survenance d'une surtension positive ou d'un pic de surtension positive sur l'électrode de face arrière A par rapport à l'électrode de face avant K. Comme on l'a vu précédemment, l'électrode de face avant K est connectée à la tension alternative et est polarisée au potentiel VCC. Il convient donc qu'il existe une différence de tension de claquage au moins égale à VCC entre le thyristor parasite vertical comprenant les régions 11-1-30-31 et le thyristor correspondant du triac. En effet, si c'est le thyristor parasite qui se déclenche, tout le courant passera par le thyristor parasite et le thyristor principal ne se déclenchera pas. Il B11216 - 11-T0-0520 7 pourra en résulter une destruction du composant, le thyristor parasite n'étant pas conçu pour absorber de forts courants. Une première solution proposée ici pour éviter le déclenchement du thyristor parasite consiste à doper le caisson de type P 30 du transistor T moins que le caisson de type P 3 de face supérieure du triac TR. Plus particulièrement, on pourra réaliser le caisson 30 en même temps que la partie de face supérieure du mur d'isolement périphérique 20. Alors, le transistor pourra être réalisé en utilisant pour la plupart de ses éléments constitutifs les mêmes étapes que celles mises en oeuvre pour former diverses régions du triac, d'où il résulte une réduction du nombre d'étapes nécessaires à la fabrication du composant et donc une réduction des coûts du composant. Seule la région de base 31 de type N du transistor bipolaire devra avoir un dopage particulier, plus faible que celui des régions 5 fortement dopées de type N, pour avoir un transistor de gain satisfaisant. Une deuxième solution proposée ici pour éviter le déclenchement du thyristor parasite est illustrée sur la vue de dessus de la figure 3. Cette figure 3 est identique à la figure 2B sauf en ce qui concerne les coins des caissons 3 et 30. De façon générale, les coins des caissons réellement obtenus après les divers recuits impliqués dans la fabrication du composant ne sont pas carrés comme cela est représenté schématiquement en figure 2B, mais présentent un certain arrondi. Il est proposé ici de prévoir que les coins du caisson 3 du triac ont un rayon de courbure r1 nettement inférieur au rayon de courbure r2 des coins du caisson 30 du transistor. Cette seule modification permet d'obtenir que la tension de claquage du transistor est inférieure à celle du triac au moins de la valeur de VCC. Avantageusement, on pourra combiner les deux solutions proposées ci-dessus. On prévoira aussi une topologie de la région de gâchette 9 propre notamment à optimiser le compromis entre la sensibilité du triac et son immunité aux déclenchements parasites en dV/dt. On veillera également à prévoir une B11216 - 11-T0-0520 8 répartition convenable des trous de court-circuit d'émetteur dans les régions 3 et 15.

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS1. Triac à amplification de gâchette comprenant dans un substrat semiconducteur (1) d'un premier type de conductivité un triac vertical (TR) et un transistor bipolaire latéral (T) dont l'émetteur est relié à la gâchette du triac, la base à une borne de commande et le collecteur à une borne destinée à être connectée à une première tension de référence (GND), la borne principale du triac du côté du transistor étant destinée à être connectée à une deuxième tension de référence (VCC), le transistor étant réalisé dans un premier caisson (30) du deuxième type de conductivité et le triac comprenant du côté du transistor un deuxième caisson (3) du deuxième type de conductivité, les premier et deuxième caissons étant réalisés de sorte que la tension de claquage substrat-caisson du transistor est supérieure à la tension de claquage substrat-caisson du triac d'au moins la différence entre les première et deuxième tensions de référence.
  2. 2. Triac à amplification de gâchette selon la revendication 1, dans lequel le premier caisson (30) est moins dopé que le deuxième caisson (3).
  3. 3. Triac à amplification de gâchette selon la revendi- cation 2, dans lequel les contours du premier caisson (30) comprennent des coins à plus fort rayon de courbure que les coins du contour du deuxième caisson (3).
  4. 4. Triac à amplification de gâchette selon l'une quel-25 conque des revendications 1 à 3, dans lequel le triac est isolé latéralement par un mur d'isolement périphérique (20) du deuxième type de conductivité et dans lequel le premier caisson (30) est formé en même temps que la partie du mur d'isolement située du côté du transistor.
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