Brevet FR2081946A1 — publié le 19711210

La présente invention concerne un circuit et une structure monolithiques in-tégrables pour la commutation d'un élément à l'état solide, à quatre couches, dans un circuit de charge, pour une tension de commutation donnée» L'expression "élément à l'état solide, à quatre couches" se réfère à des thyristors, à des 5 diodes à quatre couches ou à des transistors à "coude'% c'est-à-dire à des composants semiconducteurs présentant une courba de résistance négative, déclenchée par l'avalanche de coupure dans la caractéristique courant/tension. Coaime cela est bien connu, cette courbe . de résistance négative est due à la dépendance en courant des facteurs de gain de courant des deux transistors partiels dans 10 l'élément à l'état solide à quatre couches existant sur chaque côté de la Jonction FN à collecteur commun polarisée en inverse. Les émetteurs dss transistors partiels présentent des zones fortement dopées, ainsi que des couches métalliques appropriées formant des jonctions métal-semiconducteur avec les zones de base adjacentes. 15 La présente invention est basée sur le problème de la mise en service et de la commutation d'un élément à l'état solide à quatre couches, aussi rapidement que possible, dans un circuit de charge pour une tension de commutation aussi donnée. Le circuit utilisé à cette fin doit être/simple que possible, afin d'être intégrable monolithiquement avec l'élément à l'état solide à quatre couches^ et 20 dans cette liaison on suppose obtenir un signal de sortie aussi grand que possible par rapport à la surface du circuit intégré ou à l'état solide, pour une perte de dissipation aussi faible que possible. La présente invention a pour objet un circuit intégrable monolithique comportant un élément à l'état solide h quatre couches dans un circuit d© eliarge, 25 l'élément à l'état solide ayant une tension de commutation donnée, l'élément comportant une jonction d'injection, une première région de base adjacente à la jonction d'injection, et une seconde région de base adjacente à la pranàëro région de base. Les perfectionnements à ce circuit sont caractérisés en es que : - il est prévu un élément semiconducteur ayant une tension de ccaHJutation in£ê-30 rieur® à la tension de coimïsutation de l'élément à l'état solide ? ~ l'élément semiconducteur présente une jonction de barrage polarisée inverse et au moins une première et une seconde couches, respectiv®Bisnt0 sur eLatps côté de la jonction de barrage ; ~ la première couche est reliée à l'élément à l'état solide dans la longueur 35 de diffusion de minorité de la jonction d'injection % - la seconde couche est reliée à la région de base de l'élément à lsé'5at soiSde, à la suite de quoi le courant s5 écoulant à travers 19élément semiconducteur est liraité par les caractéristiques courant/tension de l'élément à l'état solide. Le circuit intégrable monolithiques selon l'invention, sst ws&ïïi>s.n3r& 40 particulièrement favorable pour être réalisé comme un circuit iatsgrd "iiflî.lque bad original. 71 UB0t>7 a 2081946 à l'état solide» dans lequel l'élément à l'état solide à quatre couches est réalisé comme un transistor latéral avec une zone formant une zone comnune à la zone d'émetteur adjacente à la Jonction d'injection supplémentaire. On connaît déjà des structures de transistors latéraux par le brevet des 5 Etats-Unis d'Amérique N* 3 307 079. Le flot de courant principal est effectué» comme dans le cas des transistors latéraux, non perpendiculairement., nais parallèlement à la surface latérale des plaquettes semiconductriccs utilisées. D»'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-dessous. Bien entendu la description et le dessin ne sont donnés 10 qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention» La figure 1 sert à expliquer le problème sur lequel 11 invention est basés * La figure 2 montre le principe du circuit intégrable sîonolithique, selon 1 ' invention. La figure 3 raoœfcre la caractéristique courant/tension du dispositif à 15 quatre couches, composé des couches 10» 2, 7 et 12, et de l'élément à l'état solide à quatre couches 6, qui est représenté sur la figure 2, Les figures 5 et 6, sont supposées expliquer une structure du type préféré de réalisation de l'invention ainsi que la fabrication et le mode de fonctionnement d'un circuit à l'état solide intégré monolithique* pour être 20 utilisé dans un circuit intégrable selon l'invention. Les figures 7, 8 et 9». illustrent les caractéristlques sourant/tension concernant des exemples de réalisation préférés. Selon la figure 1, le courant traversant la charge L est commuté dans un circuit de charge 3 au moyen d'un élément à l'état solide à quatre couches, 25 comprenant la cathode K, lsanode A et 3.' électrode de coassante G. Le- circuit ds charge 3.- si nécessaire, naturelleEent, contient des moyens pour déconnecter le courant la charge, ces moyens servant à mettre à nouveau l'élément de commutation à l'état solide à quatre- couches, dans la condition de commutation à résistants élevés, Ceci engendre une diminution du courant traversant l'élément 30 de eomasatatloa à quatre couches, au-dessous d'un certain couvant de maintien, pour une tension inférieure à la tension de coupure. Pour déconnecter (mettre hors, servi.se) l'éléaent à l'état, solide à quatre couches dans le circuit de ?iiarge il est également possible d'utiliser des moyens de eoœmutation qui, à l'^idi d*électrodes de comnande supplémentaires prévues sur l'élément à l'etsA 35 solide, c-ffectuent une déconnexion (mise hors service). Ces moyens sont connus ■et a» sont pas en rapport avec l'objet de la présente invention. De plus, dans le circuit sqIcxi la £2gare 1, un circuit BC est appliqué d'une asardère tells à 1 ' slestroête de grilla G de l'élément à l'état solide à quatre couches, que dès la raise en service du coorautateur 13» la tension à l'électrode de grille G 'K) approche la tension de sise en service de l'élément de coassatation à quatre bad original 71 08667 2081946 3 douchés 1. Normalement, un tel élément à l'état solide à quatre couches, qui est également connu comme étant un thyristor, comprend un contact comme électrode de commande sur l'une des deux zones de base. Dans le circuit selon l'invention, en particulier dans le type de réalisa-5 tion représenté sur la figure 2, on utilise un élément à l'état solide à quatre couches avec une électrode de grille formant une jonction d'injection 4, avec une zone de base. Cette jonction d'injection peut être constituée par une jonction métal-semiconducteur, ainsi que par une zone semiconductrice. Ces types d'éléments à l'état solide à quatre couches sont connus par les demandes 10 N* 1 489 092 et 1 514 138 de brevets allemands. La jonction d'injection 4 est aménagée dans la zone de la longueur de diffusion minoritaire, pour ce qui est de la jonction PN commandée dans la direc tion inverse et disposée entre les deux zones de base 2 et 7, de telle sorte que le processus de commutation (mise en service) est assuré par l'injection de 15 porteurs de charge minoritaires dans la jonction commandée dans la direction inverse de 1'élément à l'état solide à quatre couches ou du thyristor 1, respec tivement. Dans un circuit selon l'invention, la jonction d'injection 4, selon la figure 2, du premier élément 1 à l'état solide à quatre.couches, est reliée au premier émetteur de l'élément 6 à l'état solide à quatre couches. 20 Naturellement, cet émetteur peut également être fabriqué en utilisant un contact métal-semiconducteur. Bien que l'émetteur 5 et la jonction d'injection 4 soient adjacents aux zones de base de même type de conductivité, l'autre émetteur 8 du second élément 6 à l'état solide à quatre couches est relié à l'autre zone de base de l'élément 1 à l'état solide à quatre couches. 25 Le circuit selon la figure 2 effectue une commutation (mise en service) à une tension de commutation qui est donnée par la tension de coupure Ugz de l'élé ment à l'état solide 6. En présence de cette tension, le courant traversant l'élément à l'état solide 6 augmente et, en conséquence,il en est de même du courant minoritaire dans l'élément â l'état solide 1, qui est injecté par l'émet 30 teur 12 dans la jonction PN centrale, en amenant ainsi l'élément à l'état solide 1 à être eomimité (mis en service) d'une manière en avalanche. Dans les cas où les deux éléments à l'état solide 1 et 6 sont réalisés de manière que les caractéristiques courant/tension 14 et 15 selon la figure 3* avec un point d'intersection S, soient obtenues, compte tenu de ce que la courbe 35 14 est associée à l'élément à l'état solide 1 et la courbe 15 est associée à l'élément à l'état solide 6, le courant de décharge du condensateur C s'écoule au-delà de la valeur de seuil de courant 1 sensiblement,par l'intermédiaire de s l'émetteur 12 de l'élément à l'état solide 1, et non par l'intermédiaire de l'élément à l'état solide 6; De cette manière, le courant traversant l'élément 40 à l'état solide 6 est limité automatiquement en courant. 71 08667 2081946 4 La limitation en courant de l'élément à l'état solide 6 du circuit selon l'invention, présente l'avantage que de très courtes durées de mise en service sont obtenues quand on utilise des éléments à l'état solide 6 présentant des pertes de dissipation relativement faibles. 5 Sur la figure 1 on peut facilement reconnaître qu'une décharge de courte durée du condensateur C peut facilement détruire un élément à l'état solide 6, réalisé de manière relativement faible, dans les cas où aucune limitation de courant n'a été prévue. Etant donné que dans le circuit selon l'invention, une surcharge d'un élément 6 à l'état solide, dimenslonné ou réalisé de manière 10 relativement faible, peut être facilemënt exclue, il est possible de réaliser un circuit moins encombrant, selon l'invention, sous la forme d'un circuit à l'état solide intégré monolithlquè. Sur la figure 3,on peut voir qu'au lieu d'utiliser un dispositif semiconducteur à quatre couches 6, il est également possible d'utiliser un dispositif 15 semiconducteur à deux couches tel qu'une diode Zener. La caractéristique de la diode Zener, toutefois, doit couper la caractéristique 14 de l'élément 1 à l'état solide à quatre couches d'une manière telle qu'au delà du point 8, la caractéristique de la diode Zener est presque la même que la caractéristique 14, ceci étant la condition pour les effets de limitation de courant. A cette fin, 20 une diode Zener peut également être montée en série avec une résistance ohmique ou bien il est possible d'utiliser une diode Zener présentant une résistance interne élevée. En principe, en conséquence, la diode Zener peut être remplacée par une résistance ohmique présentant cette valeur de résistance pour maintenir l'effet 25 de limitation de courant. Dans ce cas, toutefois, la tension de commutation n'est pas donnée par une tension de coupure d'un élément de commutation particulier, mais par la tension de coupure du dispositif à quatre couches, composé des zones 10, 2, 7 et 12. De plus, le circuit selon l'invention peut être constitué par un circuit 30 à l'état solide monolithique de fabrication relativement simple conme cela est expliqué ensuite en conjonction avec l'exemple préféré de réalisation représenté sur les figures 4, 5 et 6 du dessin . La figure 4, partiellement en coupe, représente un circuit à l'état solide monolithique de ce genre, dont la réalisation est connue en principe, à l'excep-35 tion de l'établissement des contacts du circuit et de légères modifications. La structure selon la figure 4, à part la zone 11, en principe, et en coupe, ne diffère pas du circuit à l'état solide monolithique comprenant deux transistors planaires intégrés 1 et 6 qui, en courant continu, sont séparés l'un de l'autre à.l'aide de zones en anneau isolantes 10, traversant une couche épita-40 xiaie 16 sur un substrat 17 de type de conductivité opposé par rapport à la 71 08667 2081946 5 couche épitaxiale. Normalement, chaque transistor planaire intégré représente déjà un élément de commutation à l'état solide à quatre couches» Comme tel, toutefois, il peut être seulement utilisé quand une tension correspondante chute entre l'émetteur et le substrat 17. Toutefois, étant donné que c'est le but de 5 la structure représentée sur la figure 4a qui comprend des zones en anneau isolantes 18 pour effectuer la séparation des deux structures de transistors planaires, en courant continu, seulement ces potentiels peuvent se produire au cours du fonctionnement entre les zones de collecteur des transistors plarsaires et le substrat 17, ce qui effectue toujours une polarisation inverse des jonc-10 tions PN entre les zones de collecteur''et le substrat 17. Autrement, des effets à quatre couches non souhaités seraient inévitables. la présente invention s'écarte essentiellement de ce principe. Par la diffusion intérieure d'une zone d'émetteur 11, présentant le mêsHe type de conductivité que le substrat 17a à uns distance d® la joastioa Fil 15 centrale du premier élément à l'état solide 1, qui est plus petite que la.-longueur de diffusion minoritaire, on obtient un thyristor latéral. On connaît, d'une manière générale, des structures de transistors latéraux semblables, par exemple à partir du journal technique "Electronique à l'état solide" (1967) la demande de pages 225 à 234* ainsi qu'à partir de/brevet Allemand N° 1 803 032 et à partir 20 du brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3 246 214". De même, par rapport aux signaux de sortie plus élevés, pour une condition de surface des semiconducteurs relativement faible, ils peuvent être fabriqués de manière que les zones, quand on regarde la surface du semiconducteur,apparaissent selon un dessin en forse d'étoile ou en forme de peigne d'un type qui est connu pour les transistors de 25 puissance. Comme cela est illustré sur la figure une zone d'amorçage 10, pour régler la tension de coupure, est prévue à la surface du second élément 6 à l'état solide. De cette manière, il est aisément possible de régler une tension de commutation de quelques volts, correspondant à la tension de coupure de la 30 jonction PN 9 quand on utilise les processus de diffusion planaire tels que la diffusion d'émetteur, la diffusion de base, et la diffusion d'isolant.» habituels dans la fabrication des circuits à 18 état solide monolithiques de type classique* Ces trois diffusions sont déjà suffisantes pour fabriquer une structure planaire selon la figure 5. Les zones 11, 7 et 19 sont fabriquées simultanément 35 au cours de la diffusion de base, et les zones 12. 8 et 10 sont faferiqr^eç cours de la diffusion d'émetteur„ ceci étant illustré pa? les profondeur? de diffusion égales des zones. la figure 6 montre l'établissement des contacts et le câblage du dispositif pour obtenir un circuit à l'état solides salon la figura 20 Dans les 40 échancrures ménagées dans la couche isolante 23* comme cela est habituel dans bad original " 71 08667 2081946 6 le cas de dispositifs semiconducteurs planaires, on a aménagé le contact d'anode A,le contact de cathode K et d'autres contacts 20 st 21» ces deux derniers contacts PO et SI étant relié*: par une couche eoncfcetarlce métallique sur la «oucho d'oTCTda 23* cosrae cela es* p&r la liaisca S2, Sur la métalll- 5 satlon 2h ûa snbstrat Vf, osa applirfift l'électrode de gzillo 6, da'Oié que l'électrode de grille 0 est ccBsnsndés par une tension, le dispositif sensiconrtuctaur 6 qui, «a conjonction avec le substrat 17, fonctionne fopsre m dispositif à quatre couches, doit avoir des ccurc.î?.ts da retard aussi faibles qu-? possible, par rapport à l'élésent 1 à l'état solide à quatre cou-10 cher;., balisé cooaae tas tfcyristor latéral, et qui» à l'intérieur d'une certaine gansse de tensions inférieures à la tension de coupure tt „s doit être insensible 1Z à une montée rapide de tension et aux pointes de tension, Cette condition est satisfaite quand l'émetteur, dans l'élément 1 à l'état solide à quatre couches, réalisé ecr;î©s une zone d'émetteur 12, forme un court-circuit par l'intennédlaiïs* 15 du contact de cathode K sur le côté situé non en regard du contact d'anode A, avec la zone de base avoisinante 7 sur la surface senrLconductrice, en obtenant ainsi une certaine résistance à "étalement de base" par rapport au contact 20. L'avantage obtenu est que le courant de maintien et le courant de mise en service sont du Hiême ordre d'amplitude. La résistance à "étalement de base" est détermine née en conséquence par la largeur de la zone d'émetteur 12» La yone de base 10 de l'élément à l'état solide 1 montra un potentiel d'anode U , qui est inférieur d'une jonction polarisée en direct, et le substrat aU. 5 pré-sente le potentiel Up. Dans les sas où est supérieur à Up, la jonction Fïî 4 est polarisée dans la direction inverse. Le cas Up supérieur à apparaît î>5 quand, par exemple* seulement, m potentiel correspondant est appliqué à travers l'élçft-rcde de grill** S et l'élestrod® de cathode k, Aussitôt que l'élément semiconducteur 6 atteint la tension de mise en service de l'élément 1 à l'état solide, le eouran* est transporté par le dispositif à quatre couches, composé des zones 12, 2 et 10 (Pig. 2). 30 Le dispositif semiconducteur 6 peut, en conséquence,;. être dimeasiaraié seTîlemant pour «sinterJr le courant de mise en service de l'élément 1 à l'état solide. Le dispositif sçirf.û0.nd:uet3ur 6 réalisé canne une diode à quatre eouohes r® doit. W: 5e ~.6 ssc, La tnrcitn d? eoupure du dispositif à l'état solide i s'élèv* h Tlj, « 68 "ïclts, et la tsssion d© coupure it l'éléîae-nt sciai eo»ïuet£'.ir 6 s'élève à 7,7 volts, cœsne cela est sais en oeuvre dsœs *ùn circuit selon 40 la figure i, La cajpaot-srist-iQRç courant de grille/tension de grills, pour X 0 A - bad original 71 08667 2081946 selon la figure 7* montre que le point 25 est le point au-dessus duquel le courant traversant l'élément semiconducteur 6 est limité, quand le courant de décharge du condensateur C traverse la jonction PN 4 de l'élément à l'état solide 1. La figure 8 illustre la caractéristique courant d'anode/tension 5 d'anode pour 1^ = 0, tandis que la figure 9 illustre la caractéristique courant d'anode/courant de grille pour U.„ supérieur à 2 volts et I_ = 3 milliampères, Axv G c'est-à-dire que l'élément semiconducteur 6 est situé à l'intérieur de la bande de saturation, et est supérieur à la tension de mise hors service. En conséquence, compte tenu de la.présente invention, il est possible, 10 pour de très faibles frais, de réaliser un circuit à retard avec des durées de étant mise en service très courtes, l'élément semiconducteur b/réalisé comme une diode à quatre couches qui n'est pas surchargée. En se basant sur le mécanisme de limitation de courant décrit, il est possible, par l'intermédiaire de la section grille/cathode, de commuter la même puissance que par l'intermédiaire 15 de la section cathode-anode. Par suite de cet avantage, et quand on réalise le circuit selon l'invention sous la forme d'un circuit semiconducteur monolithique, un matériau semiconducteur de très petite surface est nécessaire, par exemple quand on le compare à une construction purement latérale, parce que l'élément à l'état solide 1 20 fonctionne dans le circuit de charge comme un thyristor latéral à l'intérieur de la gamme de limitation de courant, et dans le circuit de grille comme un thyristor normal montrant un écoulement de courant perpendiculaire à la surface du semiconducteur. La réalisation sous la forme du circuit à l'état solide monolithique décrit, présente l'avantage d'un câblage et d'un établissement 25 de contacte simples à l'aide de seulement deux connexions, se présentant sous la forme de liaisons à thermo-compression. Etant donné que le substrat représente une anode, la résistance du conducteur d'arrivée est faible. Naturellement, la séquence de zone du circuit à l'état solide monolithique décrit peut également être choisie pour être du type de conductivité en opposi-30 tion par rapport à celui décrit ici. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec un exemple particulier de réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. 71 08667 8 2081946 REVENDICATIONS 1") Circuit intégrable monolithique comportant un élément à l'état solide à quatre couches dans un circuit de charge, l'élément à l'état solide ayant une tension de commutation donnée, l'élément comportant une Jonction d'injection, 5 une première région de base adjacente à la jonction d'injection, et une seconde région de base adjacente à la première région de base, caractérisé en ce que : - il comporte un élément semiconducteur présentant une tension de commutation inférieure à la tension de commutation de l'élément à l'état solide j - l'élément semiconducteur présente une jonction de barrage polarisée inverse, / 10 et au moins une première et une secondé couches sur chaque côté correspondant de la jonction de barrage ; - la première couche est reliée à l'élément à l'état solide, à l'intérieur d'une longueur de diffusion minoritaire de la jonction d'injection j - la seconde couche est reliée à la région de base de l'élément à l'état solide, 15 à la suite de quoi, le courant traversant l'élément semi-conducteur est limité par les caractéristiques courant/tension de l'élément à l'état solide. 2*) Circuit intégrable monolithique comportant un élément à l'état solide à quatre couches, selon la revendication 1, caractérisé en ce que 11élément semiconducteur est une diode à quatre couches. 20 3*) Circuit intégrable monolithique comportent un élément à l'état solide à quatre couches, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément à l'état solide est un transistor latéral.