Brevet FR2010185A1 — publié le 19700213

i 2010185 Cette invention concerne un montage à thyristors, comprexiant nn premier thysistor formé par une première couche émettrice. et une deuxième couche émettrice et par deux couches de "base intercalées entre ces couches émettrices, et dans lequel la première couche émettri— cj ce est formée par deux éléments distincts dont le premier est doté d'une borne de raccordement' pour le courant de charge du thyristor» Un thyristor contient un corps semi-conducteur comprenant quatre couches présentant des types de conduction alternativement opposés et dont les deux couches extérieures, c'est-à-dire les couches émet-;^q trices, sont dopées plus fortement que les deux couches intérieures, c'est-à-dire les couches de base. A la couche émettrice de type N est raccordé le contact de cathode du thyristor, tandis que son contact d'anode est raccordé à la couche émettrice de type P. Lorsqu'une certaine tension positive, appelée ci-après tension de blocage, appliquée entre l'anode et la cathode du thyristor, est dépassée (anode positive par rapport à la cathode) le thyristor s'amorce automatiquement, c'est-à-dire que le courant d'amorçage passant par la jonction centrale bloquée, donc également l'injection à partir de la couche émettrice, augmentent dans une proportion telle que la jonction centrale précitée est 2Q polarisée dans le sens conducteur, de sorte que le thyristor commence à laisser passer un courant avec une faible chute de tension. A cause des défauts inévitables d'homogénéité du thyristor, l'auto-amorçage n'a d'abord lieu que dans une petite partie du thyristor. le courant de charge passant rapidement, seulement à travers cette partie expose alors 2^ fortement celle-ci à une surcharge et par conséquent à sa destruction. On sait qu'on peut éviter ce risque en connectant lé thyristor en série avec un eiroulement de réaction, ce qui réduit assez fortement la rapidité d'augmentation du courant de charge après l'auto-amorçage, pour que ce courant ne puisse pas atteindre sa valeur tota--2Q le avant le moment où l'amorçage s'est propagé sur toute la surface du thyristor. Or un enroulement de réaction de ce genre présente de gra- ' ves inconvénients à plusieurs points de vue. Selon la présente invention, on évite la détérioration au moment de l'auto-amorçage en dotant le thyristor d'une bonne s-tabili-té d'auto-amorçage (c'est-à-dire en lui permettant de résister à la croissance rapide du courant sans aucune détérioration après l'auto-amorçage. le montage à thyristors selon l'invention est caractérisé par le fait que le deuxième élément de la première couche émettrice est raccordé à travers un deuxième thyristor à la borne du premier élé.-._ 18378 2010185 jaeîif pïéTu pour le courant de charge, et par cet autre fait que- la tension de retournement ou d'amorçage de l'ensemble comprenant, en strie, le deuxième thyristor et:1e thyristor partiel formé par le deuxième élément de la première, couche émettrice et par les autres, couches du premier thyristor, est inférieure à la tension d'amorçage du premier thyristor précité. De cette manière, et à condition que les proportions soient convenablement choisies, on obtient que le deuxième thysistor s'amorce d'abord automatiquement pendant l'élévation de la tension de blocage, de sorte que la tension aux bornes de ce thyristor s'abaisse jusqu'à une valeur inférieure après son amorçage. La tension aux bornes du thyristor partiel, connecté en série avec le deuxième thyristor, s'élève alors momentanément et ce thyristor partiel s'amorce simultanément sur tous les points de sa surface, essentiellement grâce à 1' impulsion de courant capacitif passant alors par ce thyristor. On obtient ainsi un amorçage instantané d'une surface assez grande pour que le thyristor ne soit pas détruit par un courant de charge croissant rapidement. L'amorçage se propage ensuite latéralement et de la manière usuelle sur toute la surface du thyristor. Selon une autre particularité de l'invention, un élément l'impédance, un enroulement de réaction ou une résistance est connecté en série avec le deuxième thyristor précité pour limiter le courant traversant celui-ci et le thyristor partiel, au moins pendant une période suffisamment longue pour que l'amorçage puisse se propager sur les parties restantes du premier thyristor. la somme des tensions d'amorçage du thyristor partiel et du deuxième thyristor peut être choisie inférieure à la tensijon d'amorçage des autres parties du premier thyristor. A cet effet, et selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, la couche.de base contigue à la première couché émettrice présente., au-dessous du deu- -xième élément, une épaisseur inférieure à celle de ses autres parties. Il en résulte que le thyristor partiel, connecté en série avec le deuxième thyristor, reçoit un courant plus fortement amplifié et présente aux bornes une tension d'amorçage inférieure à celle des autres parties du premier thyristor. On peut également obtenir cet effet par le fait.que la durée de vie des porteurs de charge de la couche de base du thyristor. partiel, connecté en série avec le deuxième thyristor, est supérieure à celle de l'autre partie du' premier "thyristor. rlus précisément," on peut obtenir cet effet par exemple en incorporant à cette autre partie 69 18378 3 2010185 du premier thyristor une plus forte concentration d'un métal, de préférence d'or, de manière à réduire la durée de vie des porteurs dans ladite autre partie. On peut atteindre ce but d'une manière connue en soi en incorporant de l'or, par diffusion dans le corps semi-conduc-^ teur, pendant que le thyristor partiel est convenablement masquéo En ce qui concerne le deuxième thyristor précité, le plus simple est d'utiliser une diode-PNPIT, c'est-à-dire une diode-thyristor. lorsqu'on remplace ce dernier par un thyristor commandé, celui-ci peut être également utilisé pour l'allumage normal. De préférence, on utilise dans ce cas un thyristor commandé par voie optique, ce qui permet d'éviter le problème de la transmission d'impulsions de commande en présence d'éventuelles différences de potentiel. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, une source de tension de polarisation est connectée en série avec le deuxième ^ thyristor précité, avec une polarité telle que la tension de blocage aux bornes du thyristor partiel et du deuxième thyristor connecté en série soit supérieure à celle de l'autre partie du premier thyristor, dans une proportion telle que le deuxième thyristor s'amorce d'abord automatiquement pendant l'élévation de la tension de blocage et que 2Q le thyristor partiel s'amorce ensuite. le montage à thyristors selon l'invention peut être avantageusement complété par une source de tension de polarisation appliquant une polarisation dans le sens du blocage à la jonction entre la première couche émettrice et la couche de base adjacente, réduisant ainsi 2^ la tendance du thyristor à 1'auto-allumags en présence d'une tension de blocage croissant rapidement. j l'invention sera décrite en détail ci-après en regard du dessin annexé, sur lequel les figures 1 et 2 montrent des montages à thyristors selon l'invention. La figure 3 indique les caractéristiques d'in-jq tensité et de tension des éléments du montage selon la figure 1 dans le cas d'une tension de blocage positive. Sur la figure 1, le chiffre de référence 1 désigne une platine porteuse en métal tel que du molybdène, à laquelle est fixé par soudure un disque circulaire de silicium mono-cristallin. Ce disque comprend une couche émettrice 2 du type P, une couche de base 3 de type II, une couche de base 4 de type P et une couche émettrice de type ïT formée en deux parties 5 et 7. La partie annulaire 5 forme avec les couches 2 à 4 4 69 18378 2010185 un premier thyristor, plus précisément le thyristor princir :.-I, et comprend une couche métallique formant le-contact de cathode, et • ja conducteur de cathode 9- la partie circulaire 7, disposée à 1'intérieur de la partie annulaire 5 et séparée de celle-ci, forme avec les couches 5 2 à 4 un deuxième thyristor, plus précisément le thyristor d'amorçage comprenant un contact ae cathode 8 et un conducteur de*"-cathode 10. A la platine porteuse 1 est raccorié un conducteur commun 11 d'anode. Le thyristor principal est connecté en série avec une charge 12 et uns source de courant alternatif 13 par ses conducteurs d'anode 11 et de cathode r, 10 tandis que la valeur moyenne du courant de charge peut être déterminée d'une manière connue en soi par réglage du décalage de phase du point d'amorçage du thyristor par rapport à la tension alternative d'alimentation. Un thyristor à diode 14 est connecté en série avec une résistance 15 entre les conducteurs de cathode 10 et 9 du thyristor auxi-15 liaire et du thyristor principal, et ce thyristor à diode est orienté de façon que son se-.'s de' conduction coïncide avec celui du thyristor auxiliaire. Entre los conducteurs de cathode du thyristor principal et du thyristor auxiliaire est également raccordé un bloc de commande r~zn sente symboliquement au moyen de la source de tension 17 (dent la pela-• 20 rite peut être opposée è, celle qui -a été indiquée sur le dessin) et de ' l'interrupteur 18. v On voit sur la figure 1 que la couche de base 4 de typé P présente, au droit de la partie émettrice 7 de type N, une-épaisseur inférieu— 25 re à celle au droit de l'autre partie 5« La tension d'amorçage du thyris tor a'amorçage(2,3,4,7)est donc inférieurs à celle du thyristor principal (2,3,4,5). La caractéristique U-I du thyristor d'amorçage!est représentée par la courbe II sur la figure 3 pour le sens normal, celle du thyristor à diode est représentée par la courbe I, tandis que la 30 caractéristique de ces deux éléments connectés en série est représentée par la courbe III. La caractéristique du thyristor principal est indiquée par la- courbe IV. Lorsque la tension augmente dans le sens de conduction normal à travers l'ensemble des thyristors, le.thyristor à cic-de 14-s'av.orce d'abord au niveau de la'tension U^. La tension aux ber-35 nés du thyristor d'amorçage s'élève alors momentanément jusqu'à une valeur supérieure à sa tension d'amorçage et celui-ci s'amorce rapidement et simultanément d'un bout à l'autre de toute sa surface grâce au courant de déplacement capacitif apparaissant au moment de l'effet disrupti.f du thyristor à dioae 14, l'amorçage so propageant ensuite 40 latéralement vers le thyristor principal.. L'a résistance 15, qui peut BAD ORIGINAL , .... 18378 5 2010185.. être remplacée par un enroulement de réaction, limite lé courant de charge passant à travers le thyristor d'amorçage.'L'effet qui vient d'être décrit est donc l'effet d'auto-amorçage, mais le thyristor peut être également amorcé' de la manière usuelle en appliquant à la "borne 10 une tension positive ou négative par rapport à la cathode 9 au moyen du "bloc de commande 17,18. Au lieu d'utiliser une couche de base 4 dg. type P plus mince au-dessous de la partie émettrice 7 de type N", on peut également incorporer à la couche de base de type P, au-dessous de la partie émettrice 5 de type N une certaine concentration d'une matière réduisant la durée de vie, par exemple en incorporant à cette partie de l'or par diffusion, ce qui permet d'obtenir l'effet désiré, c'est-à-dire une tension d'amorçage plus élevée pour le thyristor principal (2, 3, 4, 5). Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, un thyris tor 20 commandé par voie optique est connecté en série avec le thyristor d'amorçage 2,3, 4, 5. le thyristor optique 20 est amorcé par des impulsions lumineuses émises par une diode 22 commandée par un bloc 23 fournissant des impulsions de commande. Les impulsions de commande engendrées par ce bloc ont, par rapport à la tension alternative 13 une phase qui est fonction du signal de commande U . Une source de S polarisation 21 applique aux bornes du groupe comprenant en série le thyristor 20 et le thyristor d'amorçage (2,3,5,7), une tension de polarisation proportionnée de façon que la tension d'amorçage de ce groupe série soit inférieure à celle du thyristor principal (2,3,4,5). Le comportement dans le cas d'un auto-amorçage est'le même que pour 1'ensemble décrit en regard de la figure 1, et on obtient la même qualité de bonne stabilité pour l'auto-amorçage. La tendance à l'aUto-amorçage est réduite au moyen de sources de tension de polarisation 24 et 27 qui appliquent une tension de polarisation négative à-la couche de base 4 de type P et à la couche émettrice 7 de type ÎT à travers les résistances 25 et 29 et les contacts 8, 26 et 28. Pour l'obtention de l'effet désiré, il est nécessaire que les tensions des sources de polarisation 21, 24.et 27 présentent entre elles un certajLn rapport. La source de polarisation 21, connectée en série avec le deuxième thyristor 20, doit présenter une tension qui est supérieure notamment à une valeur déterminée par les sources de polarisation. 24 et 27. On peut établir une condition au moyen de la définition suivante : _ 69 18378 ' 6 2010185 U = tension de la source de t)olarisàtiôn 21,' " o ♦ - ' = tension de polarisation appliquée par lés sources 24 et 27 à la jonction des couches 4 et 7 ^ ■' ' —— K = çr f formule dans laquelle désigne la. ç.apacité: de;J.a jonction 5 — entre les couches 4 et 7, tandis que Cv, désigne la. capacité de-la jonction disposée au-dessous de la couche 7, entre les couches 3 et 4. . # ■j_q Là condition précitée répond alors à la formule : - O(U1 + 1) (K + 1)' Dans un montage typique à thyristors conçu selon l'invention, la source de polarisation 21 présente à ses bornes une tension de 100 V, ^ tandis que les sources de polarisation 24 et 27 présentent à leurs bornes une tension de 10 V» ' BAD ORIGINAL 69 18378 7 2010185 - REVENDICATIONS - 1.- Montage à thyristors comprenant un premier thyristor formé par une première couche émettrice et une deuxième couche émettrice et par deux couches de base intercalées entre ces couches émettrices, et dans lequel la première couche émettrice est formée par deux éléments 5 distincts dont le premier est doté d'une borne de raccordement pour le courant de charge du thyristor, caractérisé par le fait que le deuxième élément de la première couche émettrice est raccordé par l'intermédiaire d'un deuxième thyristor à ladite borne de raccordement du premier élément prévu pour le courant de charge, et par cet autre fait 10 que la tension d'amorçage de l'ensemble, comprenant en série le deuxième thyristor et le thyristor partiel formé par le deuxième élément de la première couche émettrice et par les autres couches du premier thyristor, est inférieure à la tension d'amorçage du premier thyristor précité. 15 2.- Montage à thyristors selon la revendication 1, caracté risé par le fait qu'un élément d'impédance est connecté en série avec le deuxième thyristor pour limiter le courant traversant celui-ci. 3.- Montage à thyristors selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche de base adjacente à ladite première cou- 20 che émettrice présente, au-dessous du deuxième élément de cette première couche émettrice, une épaisseur inférieure à celle de ses autres parties. 4.- Montage à thyristors selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la durée de vie des porteurs minoritaires de char- 25 ge, au moins dans l'une des couches de base, est plus grande dans ledit thyristor partiel que dans le reste du premier thyristor. 5.- Montage à thyristor selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le reste du premier thyristor présente, par rapport au thyristor partiel, une plus forte concentration d'un métal, de pré- 30 férence d'or, réduisant la durée de vie des porteurs de charge précités. 6.- Montage à thyristors selon la revendivation 1, caractérisé par le fait que le deuxième thyristor précité se présente sous la forme d'une diode PîTPîT. 69 18378 - 8- 2010185 7.- Montage à thyristors selon la revendication 1 ou 6, caractérisé par le fait que le deuxième "thyristor précité est un thyristor commandé par voie optique. 8.- Montage à thyristors selon l'une quelconque des revente dications précédentes, caractérisé par le fait qu'une première source de tension de polarisation est connectée en série avec le deuxième thyris: tor précité, avec une polarité telle que la jonction entre le deuxième élément de la première couche émettrice et la couche de- base adjacente ait tendance à être polarisée dans le sens de conduction. 9.- Montage à thyristors selon l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé par le fait qiune deuxième source de tension de polarisation est connectée entre l'un au moins des deux éléments de la première couche émettrice et la couche de base adjacente. 2^ 10.- Montage à thyristors selon les revendications 8 et 9» caractérisé par le fait que les sources de tension de polarisation sont telles qu'elles répondent à la condition (U^ + l) (K + 1), formu le dans laquelle Uo est la tension de la première source de polarisai tion 21, U-, est la tension de polarisation appliquée par les deuxièmes 2q sources 24 et 27 à la jonction des couches 4 et 7, et K = _1 où est la capacité de la jonction entre les couches 4 et 7, "^2 tandis que C2 désigne la capacité de la jonction disposée au-dessous -de la couche 7 entre les couches 3 et 4.