Brevet FR2043519A1 — publié le 19710219

i 2043519 La présente invention concerne les dispositifs semi—conducteurs et, plus particulièrement, les redresseurs commandés ainsi que leur fabrication. La répartition des régions formant électrodes de commande 5 et cathodes dans le même plan ou dans des plans parallèles et voisins est connue comme une façon de réduire le temps d'amorçage ou de mise en circuit en augmentant le nombre de centres ou de noeuds de conduction et en accélérant leur amorçage ou leur propagation sans nécessiter un signal de commande de grande puissance* 10 De plus, on a proposé d'augmenter la vitesse de rétablissement du blocage direct en entraînant ou en drainant les porteurs à partir d'une zone située entre la cathode et l'anode en utilisant les électrodes de commande» La fabrication de dispositifs comportant des électrodes discontinues destinées à fonctiozmer de cette 15 manière est difficile et le rendement est faible, les difficultés augmentant avec la fréquence tandis que les jeux ou intervalles doivent être déduits. De plus, les électrodes ont des sections droites limitées, ce qui détermine une ehute de tension élevée et, par conséquent, réduit l'entraînement ou le drainage des porteurs» 20 L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et d'apporter une solution à ce problème* Elle est matérialisée dans un dispositif redresseur commandé seai—conducteur^ caractérisé en ce qu'il comprend une zone d'écoulement ou de circulation préférentielle d'un courant de commande 25 pénétrant dans une région formant cathode, une jonction de type P«-N s1 étendant entre la zone de pénétration et la région formant cathode» La zone peut être constituée par un matériau semi-conducteur et par une zone de la région voisine de la région formant cafaode 30 présentant une résistivité inférieure à eells présentée par le reste de la région voisine» On peut prévoir un isolement placé entre la zone considérée et une'électrode de recouvrement formant cathode. La zone peut être formée par dopage obtenu par diffusion» L'isolant peut être obtenu par croissance localisée à partir d'un 35 dépôt effectué sur la surface du dispositif ou bien obtenu directement à partir du dépôt« Il peut exister plusieurs zones séparées les unes des autres et réunies au niveau d'une de leurs extrémités par une électrode, cette électrode pouvant être l'électrode de commandée 40 L'invention est également matérialisée dans un procédé 17772 2 2043519 de fabrication du dispositif semi-conducteur précité, caractérisé en ce qu'on diffuse une matière de dopage à travers un masque de façon à former au moins une zone présentant une faible résis-tivité dans une région externe d'un corps constitué par un maté-5 riau semi-conducteur comportant trois régions présentant des types de conductibilité alternés , on forme une quatrième région présentant un type de conductibilité opposé dans la région externe de façon à obtenir avec cette dernière une jonction de -type P-N , on retient suffisamment de matière dans cette région entre la ou 10 les zones et la quatrième région pour séparer la ou les zones de la région, on isole la ou les zones et on recouvre la zone isolée avee une électrode destinée à cette quatrième région, on applique une électrode supplémentaire à cette zone ou on réunit ces zones ensemble avec l'électrode supplémentaire. • 15 la ou les zones peuvent être masquées pendant la formation de la quatrième région et l'isolant peut être formé à partir de ce masque, la quatrième région peut être formée par une diffusion sélective d'une matière de dopage dans ladite région. L'électrode peut réunir ensemble des sections de ladite quatrième région qui 20 autrement seraient séparées* Le dispositif peut être connecté dans un circuit électrique de façon à commander la circulation du courant vers une charge, une source de tension étant connectée à ladite zone et à la cathode présentant la polarité appropriée de façon à drainer les porteurs 25 de la surface anode-cathode lorsque le dispositif est à l'état conducteur pour le faire passer à l'état non conducteur. Un dispositif redresseur semi-conducteur commandé selon l'invention peut comprendre un corps constitué par un matériau semiconducteur comportant une première région présentant un type de 30 conductibilité, une seconde région présentant le type de conductibilité opposé et formant une première jonction P—F avec cette première région, une troisième région présentant le premier type de conductibilité et formant -une seconde jonction P—N avec la seconde région, une quatrième région allongée présentant l'autre ou 35 le second type de conductibilité , ménagée dans la troisième région et formant une troisième jonction périphérique de type P-N avec cette troisième région, la troisième région comprenant une zone présentant une résistivité inférieure à celle présentée par le reste de la région, cette zone étant voisine d'au moins une partie 40 d'un côté de la quatrième région mais étant séparée de cette 70 17772 3 2043519 quatrième région par line partie de la troisième région présentant une résistivité non réduite, une éleetrode principale de circulation du courant faisant partie du dispositif étant en contact ohmique avec la première région, l'autre électrode étant en contact 5 ohmique avec la quatrième région et une électrode de commande étant en contact ohmique avec la troisième région au voisinage d'une extrémité de la quatrième région, au moins une partie du contact ohmique de cette électrode s*effectuant dans ladite zone» 10 le dispositif semi-conducteur peut comprendre plusieurs de ces zones et plusieurs quatrièmes régions imbriquées individuellement côte à côte, chaque troisième jonction formée de cette façon étant séparée d'une zone voisine par une partie de cette troisième région présentant une résistivité non réduite, la 15 troisième jonction de la troisième région comprenant la zone située au niveau du bord de chaque quatrième région pouvant être recouverte par une couche isolante et l'autre électrode principale pouvant être une feuille ou une couche conductrice s'étendant entre le groupe des quatrièmes régions au-dessus de la couche 20 isolante de façon à connecter ensemble ces quatrièmes régions» Les zones imbriquées, peuvent s'étendre au-delà des extrémités des quatrièmes régions allongées et peuvent être réunies par une bande conductrice en contact ohmique avec ces zones et avec la troisième région au-delà de la couche isolante et des 25 extrémités des quatrièmes régions respectivement» Le dispositif semi-conducteur peut être réalisé par apport d'une impureté destinée à former un type de conductibilité à une pastille constituée par un matériau semi-conducteur monocristal présentant l'autre type de conductibilité, de façon à produire 30 des première, seconde et troisième régions et des première et seconde jonctions entre elles, en masquant la troisième région par rapport à une zone de celle-ci en ajoutant une impureté à la pastille de façon à réaliser la zone de résistivité plus faible présentant le premier type de conductibilité, en masquant la pre-35 mière région et la troisième région par rapport à l'emplacement d'une quatrième région, cette dernière devant être séparée de la zone par vue partie de la troisième région présentant une résistivité non réduite, en ajoutant une impureté à la pastille de façon à former la quatrième région présentant làutre type de 40 conductibilité dans la troisième région, et en formant deux con— 17772 4 2043519 tacts ohmiques individuels vis-à-vis des première et quatrième régions et un troisième contact ohmique vis-à-vis de la troisième région, une partie au moins du troisième contact ohmique s1effectuant vis-à-vis de la zone. 5 Lorsque le dispositif comprend plusieurs quatrièmes régions et des zonesimbriquées avec ces dernières, une couche isolante peut être formée au-dessus d'au moins la troisième jonction et celles des parties de la troisième région qui comprennent les zones ou les parties des zones qui sont situées entre les quatrièmes 10 régions et une feuille ou couche conductrice mise en contact avec toutes les quatrièmes régions, de façon qu'elle soit isolée par rapport à ces zones pour former l'un des contacts ohmiques individuels, tandis qu'une feuille conductrice supplémentaire peut être appliquée pour connecter ees zones et les parties de la troi-15 sième région voisines de ces quatrièmes régions de façon à former le troisième contact ohmique* Les quatrièmes régions peuvent être des "bandes rectilignes ou courbées en plan et les zones peuvent être des bandes im.bri~ quées entre les quatrièmes régions faisant saillie au-delà de l'ex-20 trémité des régions, de façon à permettre l'interconnexion des zones les unes avec les autres et avec la troisième région* La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexées, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'invention* 25 Les fig* 1, 1A et 1B sont respectivement des vues en plan et en élévation avec coupe d'un mode de réalisation du dispositif s emi-conducteur selon l'invention* Les fig* 2, 2A et 233 sont respectivement des vues en plan 30 et enâLévation avec coupe d'un autre mode de réalisation du dispositif semi-conducteur selon l'invention* Les fig* 3, 4 et 5 sont des représentations schématiques illustrant les divers stades de la fabrication d'un dispositif semiconducteur selon l'invention* 35 Lorsqu'un redresseur commandé est commuté à l'état non con ducteur en réduisant ou en inversant le sens de la circulation du courant entre les électrodes principales, il s'écoule un certain intervalle de temps avant que la jonetion de blocage di»et ne rétablisse ou ne recouvre sa capacité de blocage» La longueur ou 40 la durée de cet intervalle est déterminée par la durée de vie des porteurs présents dans les régions formant bases qui restent dis 70 17772 5 2043519 ponibles pour réamorcer la conduction en effectuant une migration à travers la jonction de blocage direct lors de la réapplication de la tension directe même si aucun signal de commande n'est appliqué» SiJ.1 on effectue un fiopage convenable, il est possible 5 de réduire la durée de vie des porteurs en rendant la recombinaison plus facile • Cependant, cette méthode affecte défavorablement d'autres facteurs de performance lorsqu'elle est appliquée suffisamment pour faire fonctionner le dispositif à des fréquences supérieures à quelques dizaines de kilohertz» XO Une autre méthode consiste à éliminer les porteurs en les "balayant" à l'aide d'un champ électrique appliqué par l'intermédiaire d'une électrode du dispositif» Cependant, cette manière de procéder pose des problèmes en ce que la différence de potentiel due au passage des porteurs vers l'électrode est soustraite 15 à la tension correspondant au champ d'extraction et réduit l'amplitude de ce champ au niveau des surfaces éloignées de l'électrode qui l'applique» Cette réduction du champ peut laisser des poches ou des trous concentrés de porteurs disponibles pour réamorcer la jonction à blocage direct# 20 Si l'on se réfère à la fig* 1, celle-ci est une représenta tion schématique en plan d'un dispositif semi-conducteur dont 2m vues en élévation avec coupe suivant les lignes A-A et B-B Ae la fig» 1 sont respectivement visibles sur les fig» 1A et 1B0 le dispositif comprend essentiellement un corps de silicium mono-25 cristallin d'environ 6,35 mm par 0,2 mm d'épaisseur. Une région. 1 constituée par un matériau 1 présentant une conductibilité de type P constitue l'anode formant une jonction de type P—N avec une région 2 constituée par un matériau présentant une _ conductibilité de type N , une couche 6 présentant une conduc-30 tibilité de type P+ étant placée entre la région 1 et une couche 7 formant contact d'anode» la région 2 forme une jonction de type P-N vis-à-vis d'une région 3 formant base et présentant une conductibilité de type Po Cette région comporte des zones 5 constituées par un matériau présentant une conductibilité de type 35 P+ et se présentant sous la forme de bande» Dans le mode de réalisation décrit ici, les bandes sont placées sur la surface de la région mais elles peuvent être placées au-dessous de cette surface• les bandes 5 s'étendent transversalement et perpendiculairement par rapport au dispositif et forment des zones pré-40 sentant une résistivité plus faible dans la région de base 3» 70 17772 6 2043519 Entre les bandes, on prévoit des régions 4 formant émetteurs et constituées par un matériau présentant une conductibilité de type U+. Chaque région d'émetteur se trouve entièrement à l'intérieur de la région de base 3 et est séparée des zones 5 à faible 5 résistivité par des parties ou des portions de la région de base présentant une résistivité normale, certaines de ces dernières étant désignées par 11 sur les figures. Chaque zone 5 est recouverte par une couche isolante 8 dans les espaces situés éntre les régions d'émetteurs 4. Cette couche peut également Xû s'étendre entre les zones 5 transversalement par rapport à la région de base au niveau de l'extrémité de chaque région d'émetteur. Des orifices ou fenêtres ménagées dans la couche isolante 8 permettent à une couche conductrice 10 d'établir le contact avec toutes les régions d'émetteurs 4. Une ou plusieurs couches 15 conductrices 9 peuvent être appliquées sur la surface des régions de base 3 et sur les zones 5 de façon à établir tua trajet à faible résistance vis-à-vis de n'importe quel point de la base. Les couches conductrices 9 sont appliquées aux régions de base 3 au-delà du bord de la couche isolante 8. Il n'est pas essentiel d'établir 20 ttn contact direct entre la couche électrode 9 et les régions 3* Les régions d'émetteurs 4. doivent être totalement isolées par rapport aux zones 5 par des portions ou parties présentant une résistivité normale U. Lors du fonctionnement du dispositif visible sur la fig. 25 1, ce dernier est rendu conducteur par un signal convenable appliqué à l'électrode 9 de façon à provoquer sa conduction par l'intermédiaire de la jonction de blocage direct formée entre les régions 2 et 3. Les électrons injectés à partir des portions 5 des régions d'émetteurs 4 voisines de l'éleetrode 9 effectuent 30 une diffusion vers et à travers la jonction de blocage direct de façon à la rendre conductrice. Lorsque la conduction à travers le dispositif n'est plus nécessaire, le courant est interrompu d'une façon connue, par exemple en inversant le potentiel appliqué aux bornes des électrodes 7 et 10 du dispositif. Lorsqu'un, cou-35 rant alternatif à haute fréquence ou à fréquence élevée est commandé par le dispositif et que sa conduction s'est arrêtée, il est souhaitable de rétablir la capacité de blocage direct dans un temps très court. Comme il a été expliqué ci-avant, des méthodes correspondant au dopage des régions semi-conductrices ou à la 40 production de champs électriques en utilisant par exemple une 70 17772 7 2043519 électrode d« eortiaMiuie classique ïih sont jiâ.g très satisfaisantes, notamment pour les fréquences élevées. En appliquant à l'électrode de commande 9 un signal tel que cette électrode devienne négative par rapport à la cathode 10, les porteurs restant dans la région 5 de base peuvent être éliminés» Les zones 5 présentant une conductibilité plus élevée et qui sont au voisinage immédiat de la jonction d'émetteur formée avec la région de base, fournissent une aide importante dans l'élimination des porteurs. Du fait que les zones présentent une conductibilité élevée par rapport à la HO conductibilité normale de la région de base, la réduction de la polarisation négative par la circulation du courant des porteurs à travers la zone est réduite à une valeur minimale. La proximité des zones par rapport aux bords des régions d'émetteurs, en même temps que la proximité du reste de l'électrode de commande par 15 rapport aux extrémités des régions d'émetteurs, réduit la possibilité qu'il reste des porteurs piégés ou fixés dans des poches •u trous inaccessibles au champ de balayage provenant des zones© Il est évident que plus la polarisation pouvant être appliquée à l'électrode de commande est élevée, plus le champ de balayage 20 est efficace® Le niveau de cette polarisation est déterminé en partie par la polarisation inverse que la jonction émetteur-base peut supporter avant de se déclencher sous la forme d'une avalanche • Dans le fonctionnement décrit-ei-avant, on Suppose que le 25 dispositif a déjà été rendu non conducteur d'une façon classiqueo Cependant, si l'on peut obtenir une résistance suffisamment faible dans les zones 5 tandis que l'on maintient une tension d'avalanche inverse suffisamment élevée pour la jonction émetteur—base, il est possible de rendre le dispositif non conducteur simplement ea 30 appliquant une tension négative convenable à l'électrode de commande 9 par rapport à la cathode sans ramener d'abord le courant circulant dans le dispositif à une valeur nulle« Si l'on se réfère à la fig. 2, celle-ci est une représentation schématique en plan d'un autre mode de réalisation du dis-35 positif s emi» conducteur êont les vues en élévation avec coupe suivant les lignes A-A et B-B de la fig. 2 sont respectivement visibles sur les figo 2A et 2B„ Selon ce mode de réalisation, le dispositif est circulaire en plan et présente un diamètre d'environ 6,35 mm et une épaisseur d'environ 0,2 mm. Les éléments visi-4° bles sur les fig» 2 qui correspondent à ceux visibles sur les 70 17772 8 2043519 figo 1, 1A et 1B ont été désignés par les mêmes références numériques» la différence essentielle entre le mode de réalisation visible sur la fig» 2 et le mode de réalisation précité consiste en l'apport d'un bras ou d'une partie diamétrale 51 destinée à 5 réunir ensemble les quatre zones 5o la présence de ce bras nécessite la division de chacune des régions d'émetteurs internes 4 en deux parties mais permet une meilleure élimination des porteurs après que le dispositif a été rendu non conducteur> le dispositif est encore rendu conducteur par l'action du signal appliqué XO à l'électrode cfe commande 9 sur les extrémités voisines de la région d'émetteur 4* Dans les modes de réalisation visibles sur les figo 1 et 2, l'isolaat 8 est représenté comme s'il était transparent pour faciliter la compréhenaioa des figures* 15 Dans les dispositifs obtenus selon l'invention, il est essentiel de réaliser un isolement suffisant des matériaux présentant la conductibilité de type P+ et formant les zones 5 dans la région de base 3 par rapport aux régions d'émetteurs 4 en prévoyant une portion ou partie intermédiaire du matériau de 20 base 3 présentant une résistivité plus élevée* Si cet isolement n'est pas obtenu, la jonction entre l'émetteur et la base existant dans la région des zones 5 à conductibilité élevée présente de très mauvaises caractéristiques déterminées par la concentration excessive des porteurs dans les régions des matériaux de type 25 P+ et N+ formant la jonction» Dans le mode de réalisation visible sur les fig* 1, 1A et 1B, les zones 5 sont séparées en plusieurs sections» Cependant, elles peuvent être réunies ensemble par des parties ou portions supplémentaires alignées avec le conducteur 9 de façon à 30 entourer complètement les émetteurs 4» Dans ee cas, aucune connexion directe n'est établie entre le conducteur 9 et la région 3, le courant passant toujours à travers la zone 5* On va maintenant décrire un procédé de fabrication d'un dispositif semi.* conducteur selon l'invention en se référant 35 aux fig» 3 à 5 dans lesquelles on a eonservé des références numériques similaires à celles déjà utilisées précédemment* le matériau initial est constitué par du silicium mono cristallin présentant une conductibilité de type N et ayant une épaisseur égale à approximativement 0,2 mm» le matériau peut déjà être coupé à la 40 dimension du dispositif terminé ou bien peut être laissé sous forme 70 17772 2043519 de pièces plus importantes à partir desquelles les dispositifs peuvent être découpés au cours d'un stade ultérieur de leur fabrication» Du gallium ou n'importe quel autre matériau accepteur d'électrons convenable est diffusé dans les faces opposées du sili-5 cium comme le montre la fig» 3 • On obtient ainsi un Hsandwhicïi,, du type P-N-P» Une région présentant une conductibilité de type P forme la région d'anode, l'autre région formant la région de base du dispositif terminé» Les parties ou portions des régions de base qui sont destinées à former des régions d'émetteurs ainsi que 10 leurs parties ou portions isolantes voisines sont ensuite masquées à l'aide d'un, masque 41 et du bore ou n'importe quel autre accepteur d'électrons convenable est diffusé dans les régions de type P de façon à former un matériau de type P+» Du fait de cette diffusion, le gallium diffusé, antérieurement subit une diffusion 15 complémentaire dans le corps du matériau semi-conducteur» La situation après cette seconde diffusion est représentée sur la figo £» Les parties de la région de base dans lesquelles le bore a été diffusé forment les zones à faible résistivité du dispositif terminé» Le masque 41 est alors enlevé et des masques 42 sont placés 20 au-dessus des zones à faible résistivité et des parties ou portions voisines de la région de base de façon à protéger les sections de la. région de base qui formeront les séparations entre les zones de faible résistivité et les émetteurs du dispositif terminé» Du phosphore ou n'importe quel autre matériau donneur d'électrons 25 convenable est ensuite diffusé dans la surface de la région de base, le reste du dispositif étant convenablement masqué de façon à former les régions d'émetteurs» Les parties des masques 42 qui ne sont pas nécessaires pour former la couche isolante 8 visible sur les fig» 1 et 2 sont éliminées et des contacts métalliques, qui peuvent 30 être constitués par une couche de nickel—titane formée par dépôt sous vide, sont appliqués aux régions d'anode, d'électrode de commande et de cathode» Des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation, dans le domaine des équivalences techniques, sans 35 s'écarter de l'invention»' 70 17772 10 2043519 REVENDICATIONS 1. Dispositif redresseur commandé semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend une zone destinée à la circulation préférentielle d'un courant de commande pénétrant dans une région 5 de cathode, une jonction de type P—N s1étendant entre la zone de pénétration et la région de cathode# 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de pénétration est constituée par un matériau semiconducteur et est une zone déterminée sur la région voisine de la XO région de cathode présentant une résistivité inférieure à celle du reste de la région voisine» 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'électrode de cathode recouvre la zone de pénétration et comprend tin isolant inséré entre la zone et l'électrode de catho-15 de# 4« Dispositif suivant l'une quelconque des revendications pas cèdent es, caractérisé en ce que la zone est une partie de la région dopée par diffusion# 5. Dispositif suivant la revendication 4, dans la mesure où 20 elle dépend de la revendication 3, caractérisé en ce que l'isolant est obtenu par croissance leealisée à partir d'un dépôt effectué sur la surface du dispositif ou est constitué par le dépôt lui-même# 6# Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 25 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs zones séparées» 7» Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les zones sont réunies ensemble au niveau d'une extrémité par une électrode supplémentaire# 30 80 Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'électrode supplémentaire estlélectrode de commande# 9# Procédé pour la fabrication d'un dispositif redresseur commandé semi-conducteur, caractérisé en ce qu'on diffuse une matière de dopage à travers un masque de façon à former au moins 35 une zone à faible résistivité dans une région externe d'un corps constituée par un matériau semi—conducteur comportant trois régions présentant des types de conductibilité alternés, oa. forme une quatrième région présentant un type de coi4.ctibilité opposé dans cette région externe de façon à obtenir avec celle-ci une jonction de 40 type P—N, on retient suffisamment de matière de la région entre la 70 17772 n 2043519 ou les zones et la quatrième région pour les séparer, on isole cette ou ces zones et on recouvre la zone isolée à l'aide dune électrode destinée à la quatrième région, on applique une électrode supplémentaire à cette zone ou on réunit ces zones ensemble à l'aide de l'électrode supplémentaire* 10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en _ ce qu'on masque la zone ou les zones pendant la formation de la quatrième région et on forme l'isolant à partir de ce masque* 11* Procédé suivant la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la quatrième zone est formée en diffusant sélectivement une matière de dopage dans la troisième région* 12* Procédé suivant l'une quelconque des revendications 9 à ÎÎL, caractérisé en ce qu' on réunit des sections de la quatrième région, qui autrement seraient séparées, à l'aide de l'élàctrode* 13* Dispositif redresseur commandé semi-conducteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est monté dans un circuit électriqe de façon à commander la circulation du courant consommé par une charge, une source de tension étant connectée à la zone et à la cathode et présentant une polarité appropriée pour drainer ou entraîner les porteurs à partir de la surface ou zone anode-cathode lorsque le dispositif est à l'état conducteur dè façon à le rendre non conducteur.