Brevet FR2046976A1 — publié le 19710312

La présent* invention a trait à un dispositif semiconducteur actionné par un rayonnement. Les dispositifs connus de ce type, et en particulier les commutateurs ou redresseurs commandés par une source lumi-5 neuse demandent un compromis entre une dissipation de chaleur efficace, une surface de contact électrique suffisante et une surface de contact optique suffisante. En l'absence d'un matériau de contact électrique qui doit itre transparent au rayonnement lumineux et à travers le-10 quel la lumière doit ttre transmise, la surface du bloc de matériau semiconducteur, par exemple du silicium, ne peut pas Stre mise en contact électrique. En conséquence, la lumière peut seulement pénétrer dans le bloc de silicium par une surface relativement faible et un courant latéral doit être engendré 15 avant que le bloc tout entier soit connecté ou rendu actif. Les-dispositifs connus ont des sections droites de transport de courant faibles et ils présentent une durée de commutation de ij.0 microsecondes, ou de 10 à 20 microsecondes pour les dispositifs les plus puissants. 20 Ceci est encore considéré comme une durée de commuta tion longue et on remarquera que des durées de commutation beaucoup plus rapides peuvent être obtenues à l'aide de thyris-tors classiques commandés électriquement. Un but de l'invention consiste donc à mettre en oeuvre 2$ un dispositif semiconducteur actionné par un rayonnement ayant une durée de commutation ou d'actionnement rapide. L'invention réside dans un dispositif semiconducteur actionné par un rayonnement qui comprend un bloc semiconducteur ayant deux bases intérieures de types opposés de conductibilité 30 placées entre deux zones d'émetteur extérieures de types opposés de conductibilité de façon à avoir quatre zones et trois jonctions p-n ; deux électrodes métalliques disposées sur les grandes faces opposées du bloc en contact respectivement avec les deux zones d'émetteur ; et un dispositif qui dirige un rayonnement 35 sur la première zone d'émetteur sur une de ses parties découvertes située dans le même plan que la grande face correspondante en faisant démarrer un courant de conduction dans ledit dispositif 70 22812 2 2046976 semiconducteur, ce dernier dispositif étant caractérisé par un réflecteur placé sur l'autre grande face qui réfléchit le rayonnement qui a traversé le bloc et atteint cette autre grande face en le renvoyant dans le bloc. 5 L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente un dispositif commandé par une source lumineuse d'un type connu j ■ - la figure 2 représente une vue de côté d'un dispositff 10 commandé par une source lumineuse selon l'invention j - la figure 3 représente une vue latérale du bloc 10 de matériau semiconducteur de la figure 2 ; - la figure 4 représente un schéma de la réflexion de la lumière dans un bloc d'un matériau semiconducteur ; 15 - la figure 5 représente un deuxième mode de réalisa» tion d'un bloc d'un matériau semiconducteur utilisable dans l'invention. La figure 1 représente un dispositif 8 d'un type connu» Ge dispositif 8 est un commutateur à quatre zones et il est 20 constitué d'un bloc de silicium 10 ayant une zone d'émetteur ou anode 12 du type -P, une zone de base 1ij. du type -N, une zone de base 16 du type -P et une zone d'émetteur ou cathode 18 du type -N. Ce dispositif 8 a deux bornes de puissance 2§ét 33 pouvant être connectées à une source de puissance électrique non 25 représentée. Dans le mode de réalisation représenté, la borne inférieure 28, de préférence en cuivre ou en un autre matériau analogue de bonne conductibilité électrique, a une partie plane 30 sur laquelle l'anode inférieure 12 est fixée. Un boulon fileté 32 part de cette partie 30 et peut être connecté à une source 30 froide. La borne supérieure 33 comporte une colonne allongée, également en cuivre ou en un autre matériau de bonne conductibilité électrique, et elle a une partie inférieure plane 3ij- placée sur la face supérieure du bloc 10 et fixée à la zone de ca-35 thode 18. Une pièce isolante 36 cupulaire en céramique enferme hermétiquement le bloc 10. Cet assemblage est analogue comme construction à un 70 22812 3 2046976 commutateur à quatre zones classiques, sauf que le conducteur de commande qui existe dans les dispositifs commandés par impulsions est éliminé. Au lieu d'un tel conducteur, ce type de dispositif comporte une pièce creuse 38 placée dans la borne 33 ©t 5 cette pièce 38 est connectée par un canal de lumière ij.0 de préférence en contact avec l'émetteur de cathode, à une source d'énergie lumineuse, par exemple une diode-laser à l'arséniure. de gallium ou un empilement ij.2 de diodes lasers. La lumière engendrée par la diode laser if.2 passe alors par le canal 4° direc-10 tement sur une surface non mâtallisée sur la surface supérieure de la zone-émetteur ou cathode 18. Le dispositif est alors excité optiquement par la lumière schématiquement représentée par les flèches 1+4 qui traverse la cathode 18, la base 16 et la base "IJ4.. Comme le montre les flèches la lumière introduite dans 15 le bloc 10 traverse ce bloc dans une zone étroite et il y a peu ou pas de dispersion latérale. Sur la figure 2, on a représenté un dispositif semiconducteur 108 commandé par un rayonnement lumineux selon l'invention. Le dispositif est un commutateur à quatre zones. Tous 20 les éléments homologues de ceux du dispositif de la figure 1 ont les mêmes numéros de référence. La caractéristique inventive du dispositif de la figure 2, qui n'existe pas dans les dispositifs connus, est l'introduction d'un élément réflecteur 50 sur la surface du bloc 10 25 directement en dessous de la zone 54 de la surface 56 du bloc. La zone 54 de la face 56 se trouve là où la lumière est introduite dans le bloc 10. L'élément réflecteur 50 de la figure 2 est une série de rainures formées, dans le bloc 10. Cet élément 50 en association avec le rayonnement qui pénètre profondément 30 à l'intérieur du matériau semiconducteur engendre un rapide ac-tionnement du dispositif. Le rayonnement frappe l'élément rainuré 50 et il est réfléchi dans la zone du bloc 10 située à l'abri du rayonnement direct par la partie 34 de la borne de puissance 33. Les zones éloignées du dispositif sont alors éclaircies sans 35 attendre une diffusion latérale provenant des zones actives. Un tel dispositif réduit donc sa durée de commutation et il a, selon l'invention, un coefficient ^ très élevé pour des courants de crête élevés. 70 22812 2046976 Sur la figure 3» on a représenté trèB agrandie une vue du bloc 10 de la figure 2. Ce bloc comporte des contacts d'aluminium 130 et 134 qui lui sont fixés;sur cette figure 3» l'énergie lumineuse indiquée par les flèches 144 frappe la zone 54 de la 5 face 56 du bloc 10. L'intensité et la longueur d'onde de cette lumière sont telles qu'au moins une partie de cette lumière tra-versçéomplètement le bloc 10 de la face 56 vers la face 52, comme indiqué par les flèches 244, elle frappe l'élément rainuré 50, puis se réfléchit vers la face 56 comme indiqué par les flèches 10 34^» Du fait de la position angulaire des rainures 50, cette lumière est réfléchie vers la partie de la face 56 recouverte par le contact 34. Quand elle vient frapper la face 56, elle est de nouveau réfléchie vers la face 52, comme indiqué par les flèches . Ainsi, tout le bloc 10 est complètement commandé, et 15 donc rendu actif par la lumière sans aucun retard en engendrant un courant latéral. Le fonctionnement correct du dispositif de l'invention dépend du choix d'un rayonnement d'intensité suffisante et de longueur d'onde convenable et de la formation des rainures 50 20 suivant un angle convenable avec l'horizontal de façon à créer la réflexion voulue. Une source lumineuse satisfaisante est un laser à tige chargée de néody*ium. Les lasers pouvant convenir sont les lasers à tige de verre, ou à base d'un mélange yttrium-aluminium-grenat 25 ou calcium-fluorophosphate. Le rayonnement d'un laser à tige chargée de neodymium a une longueur d'onde d'environ 1,06 p. La profondeur caractéristique d'absorption de ce rayonnement dans le silicium est comprise entre 300 et 500 microns. En conséquence, le rayonnement d'un 30 laser chargé au neodymium est atténué de 67% en traversant une épaisseur de 300 à 500 microns de silicium. Les dispositifs semiconducteurs de puissance comportent un bloc de silicium de 125 à 375 microns d'épaisseur. Donc, avec un faisceau d'énergie suffisante, le rayonnement peut traverser un bloc plusieurs fois 35 plus épais et engendrer encore un nombre de paires d'électrons-trous commandant tout le bloc. Dans le choix de l'angle des rainures réfléchissantes 70 22812 2046976 concentriques avec l'horizontale, représentées sur les figures 2 et 3» plusieurs facteurs doivent être considérés. En premier lieu, on peut rendre les rainures très réfléchissantes par polissage ainsi que les surfaces qui se trouvent sous les contacts 5 électriques et dépôt de métal, ou bien un angle peut être choisi qui soit supérieur à l'angle critique pour la longueur d'onde du rayonnement utilisé. L'indice de réfraction du silicium pour des longueurs dèndes convenables est d'environ 3*5. L'angle critique est alors d'environ 16,5 à 17°• Quand un rayonnement tombe sur 10 une surface de silicium sous un angle avec la normale supérieure à 17% ce rayonnement est totalement réfléchi. La réflexion du rayonnement par la surface située sous les contacts électriques est excellente si de l'aluminium est déposé par évaporation sur la surface du bloc puis fritte à 15 environ 500°C pendant 20 minutes. Bien.qu'un angle des rainures avec l'horizontale de 16,5 à 17° soit satisfaisant, l'angle le meilleur pour un dispositif donné dépend du diamètre du faisceau de lumière entrant et de la surface tcfcale et de l'épaisseur du bloc â commander. 20 Par exemple, en se référant à la figure 4, pour un bloc de siliium 10 d'épaisseur t, et de diamètre W, un contact d'aluminium 234 recouvre tout le bloc sauf une zone ayant un diamètre X sur la face supérieure 156 du bloc 110. Si on suppose qu'un unique faisceau de lumière indiqué par la flèche 51*1}- d'é-25 nergie et de longueur d'onde convenables, traverse toute l'épaisseur t, du bloc 10, l'angle le meilleur est celui qui-renvoie le faisceau lumineux au point 200 qui est juste au bord du contact 234* Cet angle des rainures vaut donc la moitié de l'angle dont la tangente " est égale à Le faisceau lumineux après avoir frappé la face 156 doit de nouveau se réfléchir sur la 30 surface 152 puis sur la surface 156. Ce processus de réflexion se répète jusqu'à ce que le faisceau ait traversé tout le bloc 10. Les faisceaux lumineux entrant dans lé bloc 10 à côté du faisceau 5kk. donnent lieu â des réflexions sucesssives dans le 35 bloc comme le faisceau H4J4. de la figure 3« Dans un redresseur commandé caractéristique, t est • égal â 0,25 mm, W est égal â 2,5 mm, x est égal à 1,2 mm et 70 22812 é 2046976 l'angle ©(est égal à environ 39°. Sur la figure 5» suivant une variant®, une rainure unique est formée dans la face inférieure 2^2 du bloc de silicium 210 de façon à servir de réflecteur. Cependant, ce mode de réali-5 sation est moins souhaitable que le précédent parce que l'angle B doit être assez grand et alors l'apex 270 de la rainure se trouve loin à l'intérieur du bloc 210 et la jonction p-n entre au moins les deux zones de base est découve/rte le long des bords 222 de cette rwiure. Cette partie découvert» de la jonction doit 10 être protégée pour assurer la stabilité électrique du dispositif. Des dispositifs électriques selon l'invention fournis» sent une commutation complète instantanée. 70 22812 7 2046976 REYENMCAIIOMS 1. Dispositif semiconducteur actionné par un rayonnement, comprenant un bloc semiconducteur ayant deux zones de base intérieures de types opposés de conductibilité placées entre deux 5 zones d'émetteur extérieures de types opposés de conductibilité qui déterminent une structure à quatre zones et trois jonctions p-nj deux électrodes métalliques placées sur les grandes faces du bloc en contact électrique avec les zones d'émetteur respectives j et une source qui dirige un rayonnement sur la première 10 zone d'émetteur sur une de ses parties découverte située dans le même plan qu'une première grande face du bloc de façon â créer un courant de conduction à travers ce dispositif ; ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comprend un élément réflecteur placé sur la deuxième grande face du bloc qui réfléchit le rayon-15 nement qui a traversé le bloc et a atteint cette deuxième grande face du bloc. . 2. Dispositif selon revendication 1 dans lequel ladite partie découverte de la première zone d'émetteur est circulaire et délimitée par la première électrode qui recouvre une surface 20 annulaire de cette zone. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'élément réflecteur comprend au moins une rainure dans la deuxième grande face du bloc. 1}.. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 dans lequel 25 l'élément réflecteur comporte une série de rainures dans la deuxième grande face du bloc. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le bloc semiconducteur est un bloc de silièium ayant une épaisseur de 125 à 375 microns, le rayonnement est fourni par 30 un laser chargé de néodymium, et dans lequel la ou les rainures font un angle au moins égal- à 16,5° avec la normale aux grandes faces du bloc.