Brevet FR2001834A1 — publié le 19691003

La présente invention concerne un commutateur de courant électrique statique du type à semi-conducteur à couches multiples avec trois électrodes et plus particulièrement un redresseur commandé â semiZconducteur qui présente des caractéristiques de com Mutation améliorées. Typiquement, un redresseur commandé au silicium comprend un corps en un matériau semi-conducteur ou en silicium présentant quatre couches distinctes, avec des couches contiguës ayant des types de conductivité différents pour former trois jonctions P-N en série. Il comporte en outre une paire d'électrodes principales de transport du courant (appelées anode et cathode) en contact ohmique respectivement avec les couches d'extrémité du dit corps et un moyen constituant l'électrode de commande (appelée électrode de déclenchement) qui est connectée à la couche voisine de la cathode. Un tel dispositif doit résister avec sécurité à une élévation rapide du courant anodique (le taux de croissance du courant vers l'avant ou di/dt) pendant le processus de mise en circuit. Pour satisfaire à la dite nécessité, il a été envisagé de modifier le nombre des électrodes misesen oeuvre ou d'améliorer leur forme. Les redresseurs proposés jusqu'à cette date comportent un redresseur du type dit à déclencheurs multiples constitué en dis- posant une pluralité d'électrodes de déclenchement avec un espaceZ ment relatif voulu sur une couche de déclenchement de manière à assurer l'amorçage en de nombreux points pendant le processus de mise en circuit et le type dit à excitation par champ dans lequel il est prévu une électrode indépendante outre l'électrode de cathode, positionnée sur la couche cathodique au voisinage d'une électrode de déclenchement. Le redresseur antérieur comportait une pluralité d'électro des de déclenchement connectées en parallèle, de sorte que le courant de déclenchement fournissant les signaux de déclenchement ou signaux d'amorçage présentait une valeur fortement accrue par rapport à celle obtenue dans un type utilisant seulement une électrode de déclenchement, la dite valeur accrue étant approximativement égale à la valeur unité multipliée par le nombre d'électrodes de déclenchement prévues. De plus les différentes parties de la cour. che de commande munie d'une pluralité d'électrodes de déclenchement présentaient des sensibilités et des impédances de commande piffé~ rentes de sorte qu'il était nécessaire d'introduire un courant de déclenchement qui avait une valeur de pointe extrêmement importante et qui pouvait croître en un temps très court afin d'obtenir que les électrodes de déclenchement et les parties de commande correspondantes soient actionnées uniformément et simultanément. En con- séquence, il était nécessaire de prévoir une source de puissance spéciale capable d'alimenter un courant de déclenchement susceptible de satisfaire aux conditions ci-dessus mentionnées. Cependant, une telle source de puissance était extrêmement difficile à con- cevoir.En particulier, lorsqu un transformateur devait être utili- sé comme source de courant de déclenchement,il était extrdmenent difficile de concevoir un tel type de transformateur dont la capas cité moyenne puisse correspondre à un courant de déclenchement ayant les caractéristiques ci-dessus mentionnées. Même s'il était possible de construire un tel transformateur, cela s'accompagnait de l'inconvénient que le transformateur devenait encombrant, ce qui donnait une dimension anormalement importante à l'appareil redresseur, et, en conséquence, entrainait un prix de revient ano- malement élevé. Avec ce dernier type de redresseur, lorsque la couche catho dique était munie d'un nombre accru d'électrodes indépendantes ayant une configuration améliorée ou d'une électrode indépendante en forme de bague disposée autour de la cathode, il était alors possible de résister à la pente accrue du courant d'irruption ou di/dt. Cependant, ceci abaissait la surface de l'électrode de déclenchement avec la réduction en résultant de la surface efficace de la couche cathodique et, en conséquence de la capacité de couX rant de l'élément semibconducteur. Le redresseur commandé à semizeonducteur de la présente in- vention comporte une électrode cathodique auxiliaire disposée sur la couche cathodique au voisinage de l'électrode de déclenchement principale, la dite électrode cathodique auxiliaire ne devant avoir qu'unie surface relativement faible, et une électrode de déclenche ment auxiliaire connectée électriquement à la dite électrode cathode dique auiliaire et prévue également sur la dite couche de commande de manière à effectuer le déclenchement simultanément en une plu ralité de points, en amenant le signal de déclenchement alimenté a ltélectrode de déclenchement principale, à etre délivré à travers lXélectrode cathodique auxiliaire et, de plus, à travers l'élec- trode de déclenchement auxiliaire, ce qui permet d'accroître la résistance à la pente du courant d'irruption ou di/dt sans réduire la capacité de courant du dispositif. Selon un aspect de l'invention, celle-ci a pour objet un redresseur commandé à semiconducteur comprenant un corps semiZcon ducteur comportant au moins quatre couches disposées en succession, les couches adjacentes de celuiZci présentant des types de conductb vité différents, une première et une seconde électrodes formées sur les deux couches d'extrémité du dit corps semi-conducteur et une électrode de commande disposée sur une couche voisine de celle sur laquelle est prévue la première électrode caractérisé en ce que la première électrode est constituée par une première électrode priez cipale et une première électrode auxiliaire, les dites électrodes étant disposées en étant espacées sur la couche d'extrémité, lt électrode de commande étant constituée par une électrode de commande principale, disposée au voisinage de la première électrode auxiliaire, et une électrode de commande~auxiliaire espacée de la dite électrode principale et positionnée au voisinage de la première re électrode principale, la première électrode auxiliaire et l'élec trode de commande auxiliaire sont connectées électriquement 1Sune à l'autre. L'invention sera décrite ci-après sous forme de modes de réalisation préférentiels avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels Fig. 1 est une vue en élévation latérale avec arrachement partiel d'un dispositif redresseur commandé à semi-conducteur, con formément à un mode de réalisation de la présente invention, montrant le circuit électrique utilisé dans celui-ci; Fig. 2 est une- vue en perspective d'une partie du dispositif redresseur de figure 1; Fig. 3 est une vue en perspective d'une coupe d'un dispositif redresseur conforme à un autre mode de réalisation de l'invention, montrant une pluralité d'électrodes auxiliaires de commande montées sur celui-ci; ; Fig. 4 est une vue en plan d'un dispositif redresseur selon un autre mode de réalisation de l'inventiona montrant une électrode annulaire agissant concurremment comme électrode cathodique auxiliaire et électrode de commande auxiliaire; Fig. 5 est une vue en élévation latérale avec arrachement partiel d'un dispositif redresseur, conforme à un autre mode de réalisation supplémentaire de l'invention, qui comporte une électrode cathodique principale en forme de bague, et Fig. 6 est une vue en perspective d'un dispositif redresseur selon un autre mode encore de réalisation montrant deux électrodes de commande principales espacées l'une de l'autre. On décrira maintenant un dispositif redresseur conforme à un mode de réalisation de la présente invention avec référence aux figures 1 et 2. Dans toutes les figures, la référence 10 désigne un corps semi-conducteur en forme de colonne, constitué par quatre couches P-N-PN. Ce corps semi-conducteur comporte des couches de diffusion 12 et 13 du type Ps formées par le procédé de diffusion usuel sur les deux côtés dtune rondelle semi-conductice 11 du type N en utilisant du gallium comme dopant et une couche de type N ou région cathodique 14 formée sur l'une des couches de type P ou région de commande 13, à l'exception de la partie périphérique de celle-ci > par un procédé d'alliage or-antimoine. I1 est évident que le corps semi-conducteur 10 peut etre préparé par d'autres procédé dés que celui décrit ciwdessus, par exemple en formant la couche cathodique 14 en utilisant un procédé par diffusion ou un procédé de croissance épitaxiale. Le corps semi-conducteur 10 peut égale ment être formé sous une disposition NP-N-P en utilisant une rondelle semi-conductrice du type P. De plus, le nombre des couches constituant le corps semiwconducteur 10 ncest pas obligatoirement limité à quatre.Sur la couche anodique 12 du type P est montée une seconde électrode ou électrode anodique 15, sur la couche cathodique 14 sont montées une première électrode cathodique principale 16 et une électrode cathodique auxiliaire 17 constituant ensemble la première électrode cathodique et, sur la couche de commande 13 sont montées une électrode de commande principale 18 et une électrode de commande auxiliaire 19 constituant ensemble le moyen for. mant électrode de commande. Toutes ces électrodes sont montées en contact ohmique. La formation des électrodes est effectuée par le procédé décrit ci-après mais n'est pas limitée à celui-ci. L'électrode anodin que 13 est formée par dépôt par vaporisation d'aluminium ou-par un procédé d'alliage. L'électrode cathodique principale 16 et l1élec. trode cathodique auxiliaire 17 sont formées en réalisant par le procédé d'alliage or-antimoine une couche cathodique 14 et en séparant un disque circulaire d'une couche de métal restant sur la dite couche cathodique 14, par une fente rectilignes en une partie majeure et une partie mineure qui sont utilisées respectivement comme l'électrode cathodique principale 16 et l'électrode cathode que auxiliaire 17. L'électrode de commande principale 18 est réali sée sur la couche de commande 13 dans une position voisine de l' électrode cathodique auxiliaire 17 en fixant un fil d'aluminium par application sondes supersoniques ou par chauffage et mise en pression.L'électrode de commande auxiliaire 19 est fixée sur la couche de commande 14 en un point très éloigné de l'électrode de commande principale 18, à savoir en un point au delà de l'ensemble constituant l'électrode cathodique en utilisant les mimes moyens que ceux décrits ci-dessus. L'électrode cathodique auxiliaire 17 et ltélectrode de commande auxiliaire 19 sont connectées électriquement l'une à l'autre par des moyens convenables, par exemple par un fil conducteur 20. Entre ces électrodes peuvent Btre interposés, si nécessaire, des moyens offrant une impédance d'une valeur appropriée, par exemple une résistance 21. Cette impédance peut être constituée par d autres moyens, par exemple par un condenseur. On décrira maintenant le fonctionnement du redresseur commandé à semi-conducteur de la présente invention ayant la disposition ci-dessus décrite. Quand une tension donnée est appliquée entre 1' électrode cathodique principale et l'électrode anodique et qutun signal de déclenchement est alimenté à l'électrode de commande prn- cipale pour assurer la mise en circuit, il se produit tout d'abord un amorçage autour d'un point désigné par 22, dans la région de la cathode voisine de l'électrode de commande principaleO Cet amorçage s'étend à la partie de droite, en dessous de l'électrode cathodique auxiliaire et, de plus, vers le bas jusqu'à la couche cathodique de droite en dessous de l'électrode cathodique principale jus qu'à ce que la totalité du dispositif soit conductrice0 Lorsque 1' amorçage s'étend à la partie de droite, en dessous de ltelectrode cathodique auxiliaire, le potentiel de la dite électrode auxiliaire 14 croit de façon notable par rapport à celui de ltélectrode cathodique principale, par exemple de plusieurs vingtaines de volts, ce qui amène ltélectrode de commande auxiliaire connectée à la dite électrode cathodique auxiliaire à avoir également un potentiel plus élevé que celui de ltélectrode cathodique principale avec 1 amorçage en résultant également à partir de la cathode voisine de la dite électrode de commande auxiliaire. Avec le redresseur de la présente invention, amorçage pour le processus de mise en circuit n'est pas de ce fait concentré en un point unique, de sorte que dans la-dite phase conductrice initiale, la valeur critique de di/dt est remarquablement accrue. De plus, le présent redresseur élimine la nécessité de prévoir toute source de puissance supplémentaire pour actionner l'électrode de commande auxiliaire ou toute source de puissance spéciale pour fournir les signaux à l'électrode de commande principale. De plus l'électrode cathodique principale ne nécessite pas autre par trop réduite en ce qui oncerne sa dimension. Quoiqu2une électrode de commande unique soit suffisante pour le redresseur de la présente invention ayant la disposition cidessus mentionnée, on peut prévoir une pluralité de telles élecw trodes de commande afin d'élever la valeur critique di/dt. On décrira maintenant un mode de réalisation pratique du pressent redresseur avec référence à la figure 3. Toutefois les parties du mode de réalisation de la figure 3 identiques à celles du iode de réalisation précédent sont désignées par les mêmes références et a description en sera omise.La couche cathodique 30 du corps semi-conducteur 10 du type N-P-N-PZ a la forme d'un disque pe'senta.nt dix saillies disposées avec un espacement procédé terminé et s'étendant radialement vers ltextérieur à partir de la périphérie de celuiNci. Sur la couche cathodique est placée coaxialement une électrode cathodique principale 31c En un point de la couche de commande 13 v-oisin de l'une des saillies oui dessus mentionnées de la couche cathodiqueS est fixée, par le procédé connu, électrode de cornande principale 18. Sur la dite saillie de a couche cathodique qui fait face à l'électrode de commande principale 18 est osée une électrode cathodique auxiliaire 32. Sur chacune des parties de la couche de commande qui sont voisine des saillies autres que celle ci-dessus mentionnée, est formée ur électrode de commande auxiliaire 33. L'électrode cathodique auxi- liaire 32 et les électrodes de commande auxiliaires 33 sont connec- tees électriquement entre elles par un fil conducteur 34. Quoique ces électrodes 32 et 33 soient constituées par de l'aluminium déc posé par vaporisation, il est également possible de connecter un fait conducteur au corps semi-conducteur en des points voulus 32 33) en utilisant un procédé de liaison convenable de manière à utiliser les parties des dits fils comme les électrodes 32 et 33 ci-dessus mentionnées On décrira maintenant un autre mode de réalisation de l'in vention avec référence à la figure 4. Le corps semi-conducteur c type N-P-N-P 10 comporte une couche cathodique 40 sous forme d'u. disque circulaire0 Sur le dit disque est montée coaxialement une électrode cathodique 41. Cette électrode cathodique 41 a la forme d'un disque dont une partie est coupée par une ligne droite0 Sur la couche cathodique 40 et sur la couche de commande 13 est montée une électrode commune annulaire 42 qui sert simultanément d > élec trode cathodique auxiliaire et d'électrode de commande auxiliaire. L'électrode commune 42 est sous forme d'une bague qui comporte une partie rectiligne et une partie épousant la forme de la périphérie du disque circulaire de l1électrode cathodique 41 ci-dessus mentionnée, dont une partie est coupée selon une ligne droite comme décrit ci-dessus. La partie rectiligne de l'électrode commune 42 fait face à la partie rectiligne similaire de l'électrode cathodique 41 et elles sont parallèles entre elles avec un espacement voulu. Ainsi une petite partie de la dite électrode annulaire est positionnée sur la couche cathodique 40 avec un espacement prédéterminé par rapport à la dite première électrode principale 41 et la majeure partie en est positionnée sur la couche de commande 13 de manière à entourer l'électrode cathodique 41.En un point de la couche de commande 13 voisine de la partie rectiligne de ltélec- trode annulaire 42 est formée une électrode de commande 18. Dans le dispositif redresseur conforme au mode de réalisation de la figure 4 le signal de commande alimenté à l'électrode de commande principale 18, amène la partie rectiligne de ltélectrode annulaire42 montée sur la couche cathodique 40, aussi bien que la partie courbe de la dite électrode 42 disposée sur la couche de commande 13 å être amorcées simultanément ce qui signifie que l'amorçage démarre immédiatement à partir de toute la périphérie de L'électrode de cathodique principale 41. La figure 5 représente un dispositif redresseur conforme à un autre mode de réalisation de la présente invention. I1 comporte une couche cathodique 14 en forme de bague et sur la couche de commande 13 au centre de la dite couche cathodique 14 est disposée une électrode de commande auxiliaire 19. Le reste de la dispositicn de la figure 5 est le même que celui de la figure 1 et la descrip tion en sera omise. Le dispositif de la figure 5 est une modification du redresseur du type à commande centrale connu. Tandis que ce type connu nécessite un courant important pour le rendre conducteur, le dispositif de la figure 5 permet d'appliquer la tension engendrée dans l'électrode cathodique sur l'électrode de commande auxiliaire 19 ce qui élimine la nécessité de prévoir toute source de puissance spéciale. La figure 6 représente un dispositif redresseur conforme à un mode de réalisation supplémentaire de la présente invention dans lequel sont prévus un2 pluralité d'électrodes cathodiques auxiliaires 17 et 17i, (deux dans le cas illustré), accouplées par paire avec une pluralité dtélectrodes de commande auxiliaires 19 et 19P, (deux dans le mode de réalisation illustré) respectivement. Les électrodes de commande principales 18 et 18' sont fixées sur la région de commande 13 et connectées électriquement entre elles. Les électrodes de commande auxiliaires 19 et 19' sont disposées sur une ligne perpendiculaire à celle reliant les électrodes de commande principales 18 et 18' > montées sur la région de commande 13. Une couche de métal sur la couche cathodique 14 est séparée en trois parties par deux fentes rectilignes, ces séparations réalisant une cathode principale 16 et les dites cathodes auxiliaires 17 et 17' respectivement. Les électrodes cathodiques auxiliaires 17 et 17t sont connectées électriquement aux électrodes de commande auxiliai res 19 et 192 respectivement. La disposition selon ce mode de réalisation permet d'accroitre la valeur critique di/dt du dispos sitif redresseur. Le nombre des électrodes cathodiques auxiliaires aussi bien que celui des électrodes de commande auxiliaires n'est pas limité à deux paires; plus leur nombre est grand plus est grande la résistance à di/dte