Brevet FR2007236A1 — publié le 19700102

La présente invention se rapporte à des perfectionnements apportés aux circuits intégrés comprenant un certain nombre d'é-lements de circuits situés dans un corps commun de matière semi-conductrice et qui sont parfois qualifiés de circuits intégrés 5 "monolithiques". Plus précisément,la présente invention a trait à des perfectionnements apportés à de tels circuits pour faciliter leur alimèntation directe* à partir d'une source électrique alternative. Dans ces circuits intégrés monolithiques, il est courant de 10 réaliser l'isolement électrique voulu entre les divers éléments de circuit en les formant dans des régions particulières ou des "îlots" du corps semiconducteur, chacun de cês îlots étant séparé électriquement ou isolé du reste du substrat du corps semiconducteur par une jonction p-n inversement polarisée. La polari-15 sation inverse de cette jonction, ou "diode d'isolement" comme on l'appelle parfois, est réalisée en connectant le substrat à un point de potentiel convenable ou "point de polarisation" du circuit. Le point de polarisation choisi est généralement celui qui a normalement le potentiel le plus extrême de la polarité oppo-20 sée du mode de conduction du substrat, c'est-à-dire que si par exemple le substrat est du type p, le point de polarisation auquel celui-ci est généralement connecté est le point ayant le potentiel le plus négatif du circuit. Ceci assure la polarisation inverse de la diode d'isolement. 25 Ce mode d'isolement paur jonction inversement polarisée a donné des résultats satisfaisants dans les circuits intégrés alimentés en courant continu ou avec une tension de polarité invariable, où le potentiel du point de- polarisation unique choisi ne cesse jamais de remplir la condition nécessaire d'avoir le 30 potentiel le -plus extrême de polarité opposée par rapport au mode de conduction du substrat. Toutefois, dans certains circuits intégrés, par exemple, dans ceux destinés à être connectés directement à une source électrique alternative, il peut y avoir un second point qui, périodiquement, a un potentiel plus extrê-35 me que celui du point de polarisation auquel le substrat est connecté. Il en résulte que la diode d'isolement, normalement polarisée en sens inverse, entre le substrat et ce second point, devienne polarisée en sens direct, annihilant ainsi l'isolement désiré et produisant divers effets indésirables, tels que l'in-40 jection de porteurs électrisés du substrat à travers la jonc 69 13670 2 2007236 tion p—n de la diode d'isolement, et un effet transistor parasite entre les îlots ou entre ces derniers et- le. substrat, La présente invention se propose d'apporter, des perfectionnements dans les circuits intégrés comportant-.des jonctions d'i-5 solement polarisées inversement qui empêchent ces diodes d'isolement de devenir polarisées en sens direct quand un point de polarisation particulier, auquel le substrat est lié, est porté à un potentiel autre que le potentiel extrême de polarité opposée de celui du mode de conduction du substrat. 10 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel : - lés fig. 1 et 2 illustrent une forme de circuit intégré au-15 quel la présente invention peut être appliquée ; - la fig. 3 est une coupe partielle d'une partie du corps semiconducteur du circuit des fig. 1 et 2, montrant également d'autres éléments de circuit de celui-ci ; - la fig. 4 est un schéma de principe d'une partie du circuit 20 de la fig. 3 ; - la fig. 5 est un schéma d'un circuit analogue à celui de la fig. 4, mais qui a été modifié conformément à l'invention ; - la fig. 6 est une vue analogue à la fig. 3, qui comporte la modification de la fig. 5 ; 25 - la fig. 7 est une vue analogue .à la fig,. 5, modifiée selon une autre forme de 1'invention j et , - la fig. 8 est analogue à la fig. 6 .et comporte la modification de la fig. 7 . . En se référant au dessin et plus particulièrement aux fig. 30 1 et 2, on voit tin montage auquel la présente invention s'applique. Le montage des fig. 1 et 2 comprend un redresseur demi-onde dont les bornes 1 et 2 sont connectées à une source électrique alternative S, et qui comporte un condensateur C dont la borne 5 est reliée à ia borne 1 et à la région d'une diode.- Dl, tandis 35" que son autre borne 3 est connectée à. la. région, p (d'une diode D2 La région n de la diode D2 est connectée .à la JjQrne 2, de même que la région p de la diode Dl. La diode PI,ftre une diode "dite "à avalanche" ou diode de Zèner.pour limiter la tension de charge du condensateur C. Lçs autres circuits,,figurés par le '40 bloc 4, dont les détails ne font pas partie de la présente inven 69 13670 3 2007236 tion, peuvent être branchés en parallèle sur le condensateur C. Pendant l'alternance de la source électrique S où la borne 1 est positive et la borne 2 négative, le condensateur C se charge avec la polarité indiquée sur la fig. 1 à une tension qui est dé-5 terminée par la tension d'avalanche de la diode Dl. Pendant l'alternance où la polarité de la source électrique S s'inverse, et où par conséquent la borne 1 est négative, comme indiqué sur la fig. 2, le condensateur C est empêché de se décharger dans la source S par la diode D2. 10 Tous les éléments de circuit décrits à ce point, à l'excep tion de la source électrique alternative S du condensateur C, peuvent être réalisés sous la forme d'un circuit intégré monolithique, le contour du corps semiconducteur qui le constitue étant figuré par le cadre en tirets 6 sur les fig. 1 et 2. Une partie 15 de ce corps semiconducteur 6 du circuit intégré des fig. 1 et 2 est représentée en coupe sur la fig. 3, en supprimant pour plus de clarté et pour faciliter la compréhension toutes les couches isolantes de protection dont la composition et la fonction sont connues de tous les techniciens avertis. Le substrat du corps 20 semiconducteur 6 est indiqué en 20 et peut, par exemple, être du type p. Le substrat 20 entoure des îlots délimités par des jonctions d'isolement 21 et 22, et les diodes Dl et D2 sont formées, comme représenté, à l'intérieur de ces îlots. En conséquence,les jonctions 21 et 22 constituent des diodes d'isolement qui de -25 vraient être polarisées inversement pour isoler convenablement , du point de vue électrique, les îlots entre eux et pour isoler le substrat 20 du reste du montage. La fig. 4 montre schématiquement la partie du circuit de la fig. 3 comprenant la diode D2, le substrat 20 et la diode d'isole-30 ment D22 formée par le jonction 22. La fig. 4 montre clairement que le substrat 20 est connecté à la borne 2 à travers la diode d'isolement D22 et qu'il est relié directement à la borne 3 par un conducteur 24. Lors du fonctionnement du circuit des fig. 1 à 4, quand la 35 borne 1 est positive, le condensateur C se charge, comme le montre la fig. 1 et le point le plus négatif du circuit, c'est-à-dire le point porté au potentiel le plus extrême de la polarité opposée à celle du substrat p 20, est la borne 2. Quand la borne 2 devient positive, la diode Dl est conductrice en sens direct, 40 la diode D2 empêchant le condensateur C de se décharger complète 69 13670 4 2007236 ment, et le point le plus négatif du circuit passe à la borne 3. Ainsi, lorsque le substrat 20 est relié, comme l'indique le conducteur 24, à la borne 3, en tant que point de polarisation normal, les jonctions 21 et 22 de la fig. 3 deviennent inverse-5 ment polarisées et assurent un isolement correct pendant l'alternance où la borne 2 est positive. Mais, pendant l'alternance où la borne 1 est positive et où la borne 2 devient plus négative que la borne 3, la jonction 22 est temporairement polarisée en sens direct et le substrat 20 est connecté par une voie à faible 10 impédance à la borne 2 de même que les parties du circuit reliées à cette borne 2. Il est bien évident qu'il en résulte une rupture complète de 1'isolement recherché, avec pour conséquence de nombreux effets nuisibles sur le fonctionnement du circuit. Pour éviter que la jonction 22 devienne polarisée en sens 15 direct quand la borne 2 devient plus négative que la borne 3, la présente invention prévoit de fixer le potentiel du substrat 20 à la partie du circuit ayant le potentiel le plus extrême de la polarité opposée du mode de conduction du substrat, c'est-à-dire à la partie la plus négative du circuit à substrat p de la fig.3. 20 Ainsi, quand le potentiel de la borne 2 devient plus extrême, c'est-à-dire plus négatif que celui de la borne 3, le potentiel du substrat 20 devient , lui aussi, conformément à la présente invention, plus négatif de façon correspondante. La fig. 5 est une vue analogue à la fig. 4 mais qui montre 25 la manière dont la polarisation/'cfee(îae diode D22 est effectivement réduite à un minimum dans une forme de la présente invention. La présente invention consiste essentiellement en des moyens pour réduire 1'intensité du courant à travers la diode de substrat D22 quand cette dernière tend à devenir polarisée en 30 sens direct, et ce au point que l'injection de porteurs électri-sés à cette diode soit insuffisante pour produire des effets parasites nuisibles dans le circuit. Ceci est accompli en empêchant la tension directe aux bornes de la diode de substrat D22 de dépasser cette valeur, par exemple, approximativement 0,3 V, 35 dans le cas d'un substrat en germanium et 0,6 V dans le cas du silicium, où se situe le "coude" bien connu de la courbe caractéristique du courant direct en fonction de la tension directe de ces diodes. Ce "coude" est représenté, par exemple, sur les fig. 1.17 de l'ouvrage "General Electric Transistor Manual", 40 7ème édition, 1964o 69 13670 5 2007236 Dans le montage de la fig. 5, la polarisation directe de la diode D22 est effectivement réduite à un minimum en plaçant une résistance 26 dans la connexion 24 entre le substrat 20 et la borne 3. Ainsi, la résistance 26 est en série avec la diode D22, 5 par rapport à la voie entre les bornes 3 et 2, et sa valeur est suffisamment grande pour diminuer la tension aux bornes de la diode D22 et le courant à travers cette dernière de façon que l'injection de porteurs électrisés à travers la jonction p-n de la diode D22 soit insuffisante pour provoquer des effets parasi-10 tes nuisibles dans le circuit ou pour dégrader l'isolement d'autres éléments de celui-ci entre eux et par rapport au substrat. La valeur de la résistance 26 doit être suffisamment grande pour limiter la chute de tension directe aux bornes de la diode D22 en accord avec les critères spécifiés ci-dessus, par exemple, à 15 moins d'environ 0,6 V dans le cas du silicium, mais ne doit cependant pas être assez grande pour permettre au substifat d'être effectivement déconnecté de la borne 3 pendant les alternances de la tension d'alimentation alternative où cette borne 3 est le point de potentiel le plus extrême dans le circuit. Ainsi, la 20 valeur optimale de la résistance 26 dépendra, dans une certaine mesure, de l'intensité des courants du circuit considéré auquel l'invention est appliquée, mais on a trouvé qu'une résistance dont la valeur était comprise entre environ 100 et 5000 ohms est normalement suffisante comme résistance 26 quand le circuit in-25 tégré est en silicium. Dans le circuit de la fig. 5, la diode D2 doit, afin d'exercer un effet optimal sur la limitation de la chuté de tension directe aux bornes de la diode D22, avoir une chute de tension directe propre aussi faible' que possible. En conséquence, la 30 diode D22 peut, avantageusement, être d'un type ayant une chute de tension directe inhérentement basse, telle qu'line diode Schot-tky. La fig. 6 montre le corps semiconducteur 6 de la fig. 3 modifié pour y incorporer une résistance 26 dans la connexion entre 35 la borne 3 et le substrat 20. Comme le savent bien les techniciens, la résistance 26 peut être réalisée sous la forme d'une région imprégnée d'impuretés dans le corps 6, région produite par un procédé classique de diffusion en même temps que sont formées les diodes Dl et D2, excluant ainsi tous frais supplémen-40 taires ou toute étape supplémentaire de fabrication pour produi 69 13670 6 2007236 re la résistance 26. Comme le montre la fig. 6, la résistance 26 est ainsi formée dans un îlot 26A qui sépare cette résistance du substrat 20. Une autre forme de l'invention est représentée sur les fig. 5 7 et 8. La fig. 7 est analogue à la fig. 6, sauf que la diode D2 a été remplacée par un transistor n-p-n Q1 dont la base est connectée à la borne 3, le collecteur à la borne 2 et l'émetteur au substrat 20. Pendant le fonctionnement du circuit des fig. 7 et 8, quand le potentiel de la borne 2 devient plus négatif que 10 celui de la borne 3, le transistor Q1 est conducteur et shunte la diode d'isolement D22, bloquant ainsi le potentiel du substrat 20 à celui de la borne 2 et empêchant la diode D22 d'être polarisée en sens direct. Le mode de réalisation à transistor de la fig. 7 est préfé-15 rable à celui à diode de la fig. 5, car la chute de tension collecteur-émetteur d'un transistor conducteur est généralement inférieure à la chute de tension directe d'une diode, de sorte que le transistor Ql constitue aux bornes de la diode D22 un shunt empêchant celle-ci plus efficacement d'être polarisée en 20 sens direct pendant le fonctionnement. Bien que le transistor Ql puisse être monté, soit avec l'émetteur, soit avec le collecteur relié au substrat 20, le mode de connexion inverse, c'est-à-dire le collecteur du transistor Ql connecté à la borne 2 et son émetteur au substrat 20, est préfé-25 rable au mode de connexion normal, car on dispose alors de la tension inverse élevée de là jonction collecteur-base du transistor entre les bornes 2 et 3 quand le transistor n'est pas allumé. La fig. 8 est un analogue aux fig. 3 et 6 et montre le corps semi-conducteur de la fig. 3, modifié pour y incorporer le tran-sistor Ql à la place de la diode D2. La région de base 27 du transistor Ql peut, évidemment,être formée par un procédé de diffusion classique en même temps que sont formées la diode Dl et la résistance 26, ou éventuellement en même temps que d'autres éléments de circuit, la région d'émetteur 28 pouvant, de même, 35 être formée en même temps que d'autres éléments de circuit, de sorte qu'aucune étape supplémentaire ne vient gréver les frais de fabrication du circuit pour y incorporer le transistor Ql. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de 40 ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisaa-tion de sas diverses parties; elle en entrasse, au contraire, toutes les variantes . 69 13670 ? 2007236 REVENDICATIONS 1.- Un circuit intégré monolithique, propre à être alimenté par une source électrique d'une certaine polarité et comprenant un corps de matière semiconductrice ayant une région formant un élé- 5 ment de circuit isolé du substrat dudit corps par une diode à jonction p-n formée entre ledit élément de circuit et ledit substrat, un premier point de polarisation dudit circuit ayant,quand ladite source électrique a une première polarité, un potentiel plus extrême que celui de ladite région et dont la polarité est 10 opposée au mode de conduction dudit substrat, avec des moyens pour polariser inversement ladite diode quand ladite source électrique a ladite première polarité qui comprennent des premiers moyens de connexion s'étendant entre ledit substrat et ledit premier point de polarisation, ledit circuit étant caractérisé par 15 un second point de polarisation ayant, quand ladite source électrique a la polarité contraire de la première polarité, un potentiel encore plus extrême que celui de ladite région et dont la polarité est opposée au mode de conduction dudit substrat, et par des moyens pour empêcher ladite diode de devenir suffisamment 2o polarisée en sens direct pour permettre le passage d'un flux nuisible de porteurs électrisés quand ladite source électrique passe à ladite polarité opposée, moyens qui comprennent des seconds moyens de connexion en circuit avec ledit substrat et avec ledit second point de polarisation pour fixer le potentiel dudit subs-25 trat à un potentiel différent du potentiel dudit second point de polarisation d'une quantité inférieure à la tension correspondant au coude de la courbe caractéristique volt-ampère de conduction directe de ladite diode d'isolement. 2.- Un circuit, intégré selon la revendication 1, dans lequel les 30 seconds moyens de connexion comprennent un transistor dont la base est liée audit premier point de polarisation, l'une des deux autres électrodes de ce transistor étant liée au substrat du corps semiconducteur, la dernière électrode de ce transistor étant liée au second point de polarisation. 35 3.- Un circuit selon la revendication 1, dans lequel les seconds moyens de connexion comprennent un transistor dont la base est liée au premier point de polarisation, dont le collecteur normal est connecté, en mode inverse, comme émetteur au second point die polarisation et dont l'émetteur normal est connecté, en mode in-40 verse comme collecteur «u substrat du corps. 69 13670 S 2007236 4.- Un circuit selon la revendication 1, dans lequel les seconds moyens de connexion comprennent une résistance connectée entre le substrat et- le premier point de polarisation. 5.- Un circuit selon la revendication 1, dans lequel des 5 moyens de commutation produisent une connexion à basse impédance entre le substrat et le second point de polarisation chaque fois que ladite source électrique a ladite polarité opposée ,«fin d*empêcher ladite diode de devenir polarisée en sens direct, de façon nuisible.