Brevet FR2009809A1 — publié le 19700213

la présente invention a trait à xua dispositif semiconducteur et plus particulièrement à un dispositif redresseur â serai-conducteur. Dans -le fonctionnement d'un redresseur à jonction à serai-5 conducteur, la tension inverse de crête ne doit pas être dépassée mène momentanément ou bien le redresseur serait détruit. Un redresseur du type à avalanche est moins. vulnérable aux si.^aaux transitoires inverses -quand- on dispersele processus de coupure ou d'avalanche plus unifoménent sur toute la surface du dispo-10 sitif, en c.ugmentant ainsi les possibilités ds. dissipation de puissance par rapport à celles des redresseurs classiques. En outre, mène si mi processus 'd'avalanche se produit encore dans des zones discrètes de dimensions relativement faibles, ces tensions transitoires ne doivent pas durer longtemps sans quoi le 15 structure pourrait être détruite- Un but de 1'invention consiste à mettre en oeuvre uh redresseur à semiconducteur ayant une structure présentant une caractéristique directe courant-tension d'une diode x-edresseuse classique à semiconducteur, mais une caractéristique inverse 20 courant-tension qui transfère ce dispositif d'un état de blocage à forte impédance à un état de conduction à faible impédance quand une tension inverse caractéristique est dépassée- Oe but étant présent à l'esprit, l'invention réside dans -un dispositif semiconducteur comprenant une structure redresseuse 25 de diode comportant une première et une deuxième zones semicon-ductrices d'un premier type de conductibilité et du type opposé ou deuxième type de conductibilité délimitant entre elles une première jonction p-n, et une première et une deuxième électrode en contacts non redresseur avec la première et la deuxième zone, 30 ce dispositif étant caractérisé par le fait que la structure de diodes se trouve en parallèle sur au moins une structure à o^ua'tre zones et trois jonctions présentant une caractéristique de commutation cc tirant-tension qui permettent au dispositif de passer d'un, état de forts irapsdcnce à un 'tat de faible impédance pour une 35 tension inférieure à la tension de coupure inverse de ladite diode redresseuse ; cette structure à quatre sones et trois jonctions comprenant une première sone du premier type de conductibilité sous 1p. forne d'un prolongement de la première cône de la structure bad original i ♦ 69 07185 2 2009809 * de diode ; use deuxième s,one ;du deuxième type de• conductibilité en contact avec la première électrode, de contact et forpant une . jonction p-n avec ladite première sons, une troisième zone du deuxième type de conductibilité ayant le. forzze d'un prolongeraient de la deuxième. sone de la structure de diode délinitsnt avec la deuxième cone de le. structure à quatre zones une jonction p-n prolongeant 1? jonction p-n de la structure de diode, et une 'luatriece sons du prerâer type de conductibilité en contact avec ladite deuxième électrode de contact et "forint mie jonction p-n svè'o ladite troisiène zone- le dispositif' seniconiucteur de l'invention, donc, peut être considéré co^s une structure redresseuse à semiconducteur combinent les propriétés d'auto-protection de la. caractéristique de conautation inverse tension-courant en passant d'un .é.tat de blocage à forte impudence à un état de conduction à faible impédance avant d'atteindre la tension de coupure inverse destructrice tout en rjszit une. caractéristique directe courant-tension classique d'un redresseur à jonctions, ce qui augmente- beaucoup la sécurité de fonctionnement de cette structure. Exprimée en ternes de circuit électrique, la partie à deux soneo et à une jonction unir-ue de la structure présentant une caractéristique directe courant-tension classique est'e:i parallèle sur la partie à.quatre zones et à. trois .jonctions de la structure qui passe de son état de forte- inpédance à son état de faible inpédance avant que la partie à deux zones et à une jonc "ci on unieue -atteigne, la tension de coupure inverse destructrice, c'est-à-dire que les deux parties du dispositif sont disposées de telle sorte qu'une-tension d'avalanche ou une tension de perforation se produit seulement dsns.la partie à quatre zones du dispositif. " l'invention sera aieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés sur lesquels : - la figo 1 ' est un schéma ncntraiit les relations de circuit électrieue entre les deux parties d'un dispositif selon . l'invention ' - . — la fig. 2 est une coivcbe-représentant la caractéristique 1—7 (courrait-tension) .lu dispositif selon l'invention ; BAO ORIGINAL 69 07185 3 2009809 - la fig. 3 est un sGhana d'un dispositif selon l'inven-tior. donné à titre d'esersple ; - les fig. 4 à 6 sont des vues latércies coupées de modes de - réélisation codifiés de 1* invention, et - la fis- 7 est une vue d'en haut d'un dispositif selon 1'invention. Comme indiqué ci-dessus, le dispositif selon l'invention est un redresseur de commutation inverse conpren'. nt er. conoi-naison et à l'intérieur d'un unique "bloc une diode à jonction p-n en parallèle sur une partie de commutation -lu type p-n-p-n. Cette relation de circuit est représentée schématiquement sur la fig. 1. Dans le sens direct, le dispositif est conducteur conme un redresseur normal h jonction. Dans le sens inverse, le dispositif de l'invention "bloque le courant jusqu'à ce eu'une certaine tension soit dépassée, et à ce moment il est commuté rapidement jusqu'à ce que cette tension ou ce courant soit ramené sensiblement à zéro. Cette caractéristique de fonctionnement est représentée graphiquement sur la fig. 2. Sur la fig. 3» on a représenté un schéma d'un dispositif de base 10 selon l'invention contenu à l'intérieur d'un unique bloc d'un matériau semiconducteur. Ce dispositif 10 de la fig. 3 comporte une partie centrale 12 enfermée à 1'intérieur d'un cadre en traits interrompus, comprenant une partie de commutation à quatre sones et à trois jonctions et une partie piriphérique 14 comprenant une diede du type à jonction. Pour simplifier, la partie ce:iti, Le dispositif de commutation qui comprend la prrtie centrale 12 comporte un émetteur de cathode 15 et un 'metteur d'rsnode 18 et des sones de base 2C et 22. Il est prévu une jonction p-n 24 entre la zone 16 et la base 20, une jonction p-n 26 entre les cônes 20 et 22 et uns jonction p-n 28 entre la zone de base 22 et l'émetteur 13. BAD ORIGINAL 69 07185 4 2009809 La diode à jonction qui comprend la p sortie périphérique 14 comporte une première zone 30, une deuxième zone 32 et une jonction p-n 34 disposée entre ces zones. Gomme le montre la fig. 3, la zone 30 de la diode est le 5 prolongement périphérique de la zone de base 20 du dispositif de commutation, la zone 32 de la diode est le prolongement périphérique de la zone de base 22 du dispositif de commutation et la jonction p-n 34 de la diode est la même que la jonction 26 du dispositif de commutation. Il est prévu un premier contact oh-10 mique 36 fixé à la fois à la zone d'émetteur 16 et à la zone 30 et un deuxième contact ohmique 38 xise à la fois à la zone d'émetteur 1& et à la zone 32. Les deux zones centrales continues 20-30 et 22-32 du dispositif permettent au courant de fuite engendré à haute tem-15 pérature dans les régions centrales de circuler dans les contacts obrnigues 36 et 38 au lieu de circuler uniquement dans les zones d'émetteur 16 et 18, ce qui pourrait provoquer une commutation prématurée• Le procédé de court-circuitâge d'un groupe de zones émet-20 teur-base d'un dispositif p-n-p-n est connu. Cependant, le dispositif de l'invention court-circuite à la fois les deux groupes de zones émetteur-base. Deux types de dispositifs ont été construits utilisant les principes de l'invention. La différence entre ces deux types 25." se trouve dans le mécanisme de commutation utilisé. Dans un cas, le dispositif est commuté en utilisant la courant engendré par le mécanisme d'avalanche et dans l'autre cas la commutation est effectuée en utilisant un effet de multiplication de courant dû à un mécanisme de perforation. 30 Sur la fig. 4, on a représenté un dispositif 100 selon l'invention qui passe d'un état de blocage à haute impédance à un état de conduction à faible impédance quand une tension spécifiée est dépassée» Le dispositif 100 de la fig. 4 est commuté par le courant engendré par le mécanisme d'avalanche. 35 0e dispositif 100 de la fig. 4 comprend une partie cen trale 112 entourée d'un cadre en traits interrompus, comprenant un dispositif 101 de commutation à quatre zones et à trois jonctions et une partie périphérique 114 comportant une diode 103 du BAD ORIGINAL 69 07185 5 2009809 "type à jonction. Pour simplifier, le commutateur 101 est représenté sous la forme d'un dispositif n-p-n-p et la diode 103 sous la forme d'un dispositif p-n. 5 la partie de commutation 101 comprend un émetteur de ca- tiiode 116., un émetteur d'anode 118 et les zones de b ase 120 et 122» Il y a une jonction p-n 124 entre la zone 116 et la zone 120, une jonction p-n 126 entre les zones de base 120 et 122 et une jonction p-n 128 entre la sone de base 122 et la zone, d'émet-10 teur 118. La diode 103 comprend une première sone 130, une deuxième sone 132 et une jonction p-n 134 placées entre elles. Gomme le montre la fig. 4, la sone 130 de la diode 103 est le prolongement périphérique de la sone de base 120 du dispositif 15 de commutation 101. Cependant, la sone 130 périphérique a une épaisseur d'au moins 10 à 20 c,'o et de préférence 30 à 50 °p supérieure à celle de la sone 120, L'importance de ce fait sera expliquée ci-après. La sone 132 de la diode 103- est le prolongement périphérique de la sone 122 du dispositif de. commutation 101. 20 En outre, 1s. jonction p-n 134 entre les sones 130 et 132 de la diode 103 est mie continuation de la jonction p-n 126 du dispositif de commutation 101. Il est prévu un premier contact ohnique 136 fixé h la fois aux sones 116 et 130 et eourt-circuitant électriquement ces deux 25 sones et un deuxième contact ohxdque 138 fixé aux deux zones .118 et 132 et court-circuitant électriquement ces deux zones. La jonction p-n 126-134 est formée en deux opérations séparées de façon à fournir deux tensions d'avalanche différentes. La partie périphérique 134 est obtenue, par diffusion pendant .un 30 temps plus long et elle a une profondeur de 10 à 50 plus importante que celle de la jonction 126 de la partie centrale bien que la même concentration d'impureté en surface soit utilisée dans chaque cas. En conséquence, la partie de jonction 126 de la jonction p-n 126-134 comporte un champ électrique plus élevé 35 et, par suite, a une tension d'avalanche plus faible que la partie de jonction 134. Donc, quand une tension est appliquée, la jonction 126 est coupée la première et elle est commutée d'une façon sûre parce ou'elle se trouve dans la partie p-n-p-n du dispositif- BAD ORIGINAL 69 07185 6 2009809 Une autre caractéristique de cette structure est que la partie de commutation p-n-p-n se trouve entièrement entourée par une jonction p-n 134, qui subit un effet d1 avalanche pour une tension plus élevée, ce qui contribue à la sécurité de -la., commutation en 5 créant moins d'effort électrique sur la jonction à la surface pendant un fonctionnement normal- Dans le dispositif caractéristique représenté sur la fig»4, la zone 116 du type-n a une épaisseur d'environ 0,0125 mm et elle 17 21 est chargée a une concentration comprise entre 10 et 10 por- •z 10 teurs par cm ; la zone 120 du type -p.a une épaisseur d'environ 1 A 4 O 0,0125 mm et elle a une concentration d'impureté de 10 à 10 pointeurs par cet; la zone 122 du type -n a une épaisseur d'environ 0,175 mm et elle est chargée à une concentration moyenne 1 "*> 16 ? comprise entre 10 J et 10 porteurs par cm ; la. zone 11-7 du 15 type -p a une épaisseur d'environ 0,03 mm et elle est chargée à une concentration d'environ 10^ à 10*^ porteurs par cm^. La sone 130 du type -p a une épaisseur d'environ 0,03 mm et elle 4 C 4 0 est chargée à une concentration comprise entre 10 3 et 10 porteurs par cm^ et la zone 132 du type -n a une épaisseur d'environ 1 ^ 20 0,2 mm et une concentration d'impureté comprise entre 10 et 10 porteurs par cm . Une caractéristique importante du dispositif de la fig. 4 est que la concentration d®.impureté est telle que la tension d'avalanche de la partie centrale est inférieure à la tension 25 .d'avalanche de la partie périphérique• Sur la fig. 5, si on le-désire, plutôt que de court-eir-cuiter électriquement les sones 118 et 132 en utilisant un unique contact ohmique comme représenté sur la fig. 4, un premier contact 'ohmique 140 constitué par exemple d'un alliage d'or et de bore 30 est fixé à la sone 118 et un deuxième contact ohmique 142 constitué par exemple d'un alliage d'or et d'antimoine est fixé à la sone 132, ces deux contacts ohmiques étant alors électriquement court-circuités par un contact de molybdène 144 qui fait contact à la fois avec les deux contacts ohmiques 140 et 142. Pour le 35 reste, le dispositif de la fig. 5 est analogue à "celui de la fig. 4. Deux dispositifs au silicium du type représenté sur la fig. 4 ont été préparés en utilisant des. techniques connues de diffusion et de masquage- BAD ORIGINAL 69 07185 7 2009809 Dans un de ces dispositifs, la zone 116 du type -n a une épaisseur de 0,0125 m î la sone 120 du type -p a une épaisseur de 0,0175 niai ; la zone 122 du type -n a une épaisseur de 0,175 mm, et la zone 118 du type -p a une épaisseur de 0,025 cnn. La résis-5 tivité delà sone 122 est de 15 ohms-cm. Ce dispositif a une tension de coupure de 700 volts» Dans un deuxième dispositif, les épaisseurs et les résisti-vités sont identiques à celles du premier dispositif, sauf que la résistivité de la zone 122 est de 50 ohms-cm. Ce dispositif a une 10 tension de coupure de 1500 volts. Sur la fig. 6, on a représenté un dispositif 200 selon l'invention qui passe d,un état de blocage à haute impédance à un état de conduction à faible impédance quand une tension caractéristique est dépassée. Le dispositif 200 de la fig. 6 est com-15 muté par la multiplication de courant induite lorsqu'on approche de la tension de perforation. Le dispositif 200 comprend une partie centrale 212 indiquée par la surface coiaprise à l'intérieur des lignes en traits interrompus, et une partie périphérique 214. 20 La partie centrale 212 est un diàpositif 201 de commuta tion à quatre sones et trois jonctions. La partie périphérique 214 est une diode 203 à deux sones et une jonction. Du point de vue électrique, la diode se trouve montée en parallèle sur le dispositif de commutation, comme représenté sur la fig. 1. 25 Pour simplifier les explications, le commutateur 201 est représenté sous - forme d'un dispositif n-p-n-p et la diode 203 sous forme d'un dispositif p-n. La partie centrale 212 qui comprend le dispositif de commutation 201 comporte une sone d'émetteur de cathode 216, une zone d'émetteur d'anode 218, 30 une première sons de base 220 et une deuxième sone de base 222» Il y a une jonction p-n 224 entre les sones 216 et 220, une jonction p-n 226 entre les sones 220 et 222 et une jonction p-*n 228 entre les sones 222 et 218. La pr-xtie périphérique 214 qui est la diode 203, comprend une première sone 230 et une deuxième 35 zone 232 avec une jonction p-n 234 entre ces sones 230 et -232. Comme le montre la fig. 6, la zone 230 du dispositif 203 est un prolongement périphérique de la sone 220 du dispositif 201 et la zone 232 du dispositif 203 est un prolongement : bad original 69 07185 8 2009809 périphérique de la zone 222 du dispositif 201. Dans .ces deux cas, cependant, les zones 230 et 232 ont une épaisseur plus grande que les zones respectives 220 et 222. Comme le montre également la fig. 6, la jonction p—n 234 de la partie périphérique 214 est un 5 prolongement de la jonction p-n 226 de la partie 212. Un premier contact métallique électrique 236 constitué par exemple par du molybdène, de l'aluminium, de l'or, de l'argent, du tantale ou leurs alliages est fixé à la face supérieure du dispositif 200« Le contact 236 est placé sur la zone 216 et sur 10 au moins une partie de la zone 230. Un deuxième contact électrique métallique 238 du même matériau que le contact 236 est fixé sur la face inférieure du i dispositif 200. Le contact 238 est placé sur la zone 218 et au moins sur une partie de la zone 232. 15 Dans ce mode de réalisation de l'invention, la commutation ^ s'effectue en choisissant une résistivité et une largeur de base de la zone de base 222 qui détermine une certaine tension de ' perforation. La tension de perforation est dans tous les cas > nettement inférieure à la tension d'avalanche de la jonction ; 5 20 226-234. La tension de perforation peut être de 2 à 5 fois inférieure à la tension d?avalanche. La résistivité de la zone de base 222 est choisie de façon délibérée de façon à éviter la génération d'un courant d'avalanche. La commutation s'effectue quand la zone d'appauvrissement associée à la partie de jonction 226 25 et qui avance du fait de la tension de polarisation inverse rend la zone de base 222 du type -n du transistor p-n-p comprenant la zone 218 du type -p, la zone 222 du type -n et la zone 220 du type -p très petite, d'où il résulte une augmentation du coefficient a ou du gain. Ce gain'.: .alors multiplié effectivement 30 le courant de fuite de la jonction 226, en provoquant un courant de fuite très important juste avant que la zone d'appauvrissement 226 vienne au contact de la jonction 228. Ce courant important circule uniformément sur tout le dispositif de commutation, et quand il atteint une valeur critique souhaitée,'ce 35 dispositif est commuté.. L'effet dû à 1'épaieseur et à la résistivité de la deuxième zone de base sur les caractéristiques du dispositif peut -être mis en évidence en comparant deux dispositifs au silicium fabriqués t BAD ORIGINW- 69 07185 2009809 15 10 ao selon l'invention. Dans le premier dispositif, la zone 220 a une épaisseur de 0,025 rv,Ei» la zone 222 une épaisseur de 0,15 mm et une résistivité ««« J-a zone 216 une epaxsseur de CL0125 mm , ae 200 ohms-cm, la zone 218 une - epaisseur de 0,0125 mm/ Le dispositif a une tension de commutation de 350 volts- Dans le deuxième dispositif toutes les zones sont identiques à celles du premier dispositif, sauf que la zone 222 a une épaisseur de 0,175 mm et une résistivité de 100 ohms-cm. Ce dispositif a une tension de commutation de 800 volts- Dans un dispositif du type représenté sur la fig. 6, la zone de base peut avoir une épaisseur comprise entre 0,0025 et 0,5 mm et avoir une concentration d'impureté comprise entre 10 19 3 et 10 atomes par cm du matériau semiconducteur- La caractéristique importante est que la sone de base 222 a une épaisseur et une résistivité telle que pour la tension de commutation désirée, la base soit sensiblement dans l'état de perforation. En d'autres termes, la zone d'appauvrissement de la jonction centrale 226 s'est étendue sensiblement a. toute la zone de base 222. Dans la table suivante, des caractéristiques électriques des deux dispositifs en question selon l'invention ont été indiquées* 13 25 Paramètres électriques Courant direct (AVG ) Tension de commutation (V^ ) Courant de commutation (Ig0) Chute de tension directe (V Chute de tension inverse 30 Fuite de tension inverse (150°C à 60 £ de .;VBo) Durée de conduction inverse (à 1000 A) Température maximale de la jonction en fonctionnement (°C) Température maximale d'accumulation (°C) di/dt Avalanche 15 A 400 - 1400 7 200 - 1000 ma 1,1 V pour 30 A 1,5-2,0 V pour 30 A 1 - 3 ma 500 nsec 190°C Taux 200°C 8000 A/ji sec. Impédance thermique maximale 0,7 de la jonction vers l'enveloppe (°C/watt) Perforation 10 A 150 - 1000 V 2 - 100 ma 1,1 V pour 30A 1,5-2,0 Y pour 30A 1 - 3 ma 500 nsec 150 °C 200 °C 8000 A/p. sec. 0,7 b*D ofugihal ' 69 (37185 10 2009809 Dans un dispositif de commutation à haute tension, par exemple à 1000 volts, il peut être souhaitable de réduire sa sensibilité en utilisant plus d'une partie centrale constituée d'un commutateur à quatre couches, dans le même bloc de matériau semiconducteur. Sur la fig. 7, on a représenté une vue d'en haut d'un tel dispositif 300, Ce dispositif comprend plusieurs commutateurs 302 à quatre zones complètement entourés par une diode 304. les émetteurs 306 de chaque partie 302 sont court-cireuités par rapport à la diode 304 à l'aide d'un contact ohmique 308 qui relie les commutateurs 302 ensemble. ^ La valeur du coefficient di/dt de ce dispositif, son court retard et ses caractéristiques de conduction directe permettent de l'utiliser dans un circuit de modulation de radar en remplacement d'un tube commutateur à gaa, ou comme redresseur protégé contre les signaux transitoires. BAD 69 07185 n 2009809 BETEKDIGiTIOffS 1. - Dispositif semiconducteur comprenant une structure de diode redresseuse comportant une première et une deuxième zone semiconductrice d'un premier type de conductibilité et du type 5 opposé ou deuxième type de conductibilité délimitant entre elles une première jonction p-n, une première et une deuxième électrode de contact en contacts non redresseur avec les dites première et deuxième zone ; ce dispositif étant caractérisé par le fait que la diode redresseuse est montée en parallèle sur une structure à 10 quatre zones et trois jonctions ayant une caractéristique de commutation courant-tension qui fasse passer ce dispositif d'un état de haute impédance à un état de faible impédance pour une tension inférieure à la tension de coupure inverse de ladite diode ; la structure à quatre zones et trois jonctions comprenant une pre-15 mière zone du premier type de conductibilité ayant la forme d'un prolongement de la première zone de la dite diode, une deuxième zone du deuxième type de conductibilité en contact avec la première électrode de contact et formant une jonction p-n avec la première zone, une troisième zone du deuxième type de conducti-20 bilité ayant la forme d'un prolongement de la deuxième zone de la diode et délimitant avec la deuxième zone de la structure à quatre zones une jonction p-n sous forme d'un prolongement de la jonction p-n de la diode, at une quatrième zone du premier type de conductibilité en contact avec la deuxième électrode de contact et 25 formant une jonction p-n avec la troisième zone. 2. - Dispositif selon revendication 1 dans lequel la première zone a une épaisseur de 10 à 50 fo supérieure à celle de la troisième cône- 3. - Dispositif selon revendications 1 ou 2, dans lequel la 13*19 30 concentration d'impureté de la troisième zone est de 10 à 10 3 atomes par cm . 4. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première et la deuxième zone de la diode entourent les sones de la structure à quatre sones et trois jonctions* r BAO ORIGINAL 69 07185 12 2009809 5. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le bloc semiconducteur de ce dispositif comporte sur ses grandes faces lesdites première et deuxième électrodes, la partie centrale du bloc comporte les zones de la structure à quatre zones et trois jonctions, et la partie périphérique du bloc comporte les deux zones de la diode redresseuse entourant les quatre zones de la structure à quatre zones et trois jonctions. 1 BAD ORIGINAL