Brevet FR2088344A1 — publié le 19720107

i 2088344 la présente invention est relative aux dispositifs semiconducteurs et se rapporte plus particulièrement à des dispositifs semiconducteurs de commutation d'une seule pièce, destinés à fonctionner en alternance en thyristor ou en diode redresseuse. 5 La catégorie de thyristors connue sous le nom de redresseurs commandés est constituée par des commutateurs à semiconducteurs comportant quatre régions semiconductrices de•conductivités alternées et qui comportent des électrodes d'anode, de cathode et de porte. Ces dispositifs sont fabriqués ordinairement en silicium. A l'état 10 normal, un redresseur commandé au silicium est non conducteur jusqu' à ce qu'une tension ou une impulsion de courant approprié soit appli quée à l'électrode de porte, auquel cas un courant circule entre 1' anode et la cathode et fournit de 11 énergie à un circuit de charge. Si le redresseur est polarisé en sens inverse, .il est non conduc-15 teur et ne peut être déclenché par un signal d'amorçage. Une fois la conduction établie, la porte perd son pouvoir de commande et le courant circule entre l'anode et la cathode jusqu'à ce qu'il tombe en dessous d'une certaine valeur (appelée courant de maintien) et à ce point le redresseur devient bloqué et l'électrode de porte retrouve 20 son pouvoir de commande, le redresseur commandé au silicium est ainsi un dispositif à l'état solide capable de remplir la fonction d'un tu be thyratron dans beaucoup d'applications électroniques. Dans certaines de ces applications, comme par exemple les dispositifs d'allumage pour automobiles et les circuits de déviation horizontale des 25 récepteurs de télévision, il est nécessaire de connecter une diode séparée en parallèle avec le redresseur» Dans ces applications, l'anode de la diode redresseuse eà connectée à la cathode du redresseur et la cathode du redresseur est connectée à l'anode. Ainsi, la diode redresseuse est polarisée en sens direct et le courant la tra-30 verse lorsque le redresseur commandé au siliciuâi est polarisé en sens inverse; autrement dit, lorsque la cathode du redresseur comman dé est positive par rapport à son anode. Pour des raisons d"économie et de facilité de manipulation, il est préférable de pouvoir combiner la fonction du redresseur commandé au silicium et celle de la di 35 ode redresseuse associée en un dispositif unique, de sorte qu'au lieu de nécessiter deux dispositifs et cinq connexions électriques, dispositif et trois connexions seraient nécessaires. En effet, en bad original 71 15764 2 2088344 raison du profil semiconducteur utilisé, un grand nombre de redresseurs commandés au silicium du type à émetteur court-circuité fonctionnent naturellement en diodes redresseuses lorsqu'ils sont polarisés en sens inverse. Toutefois, la fonction de redressement de 5 tels dispositifs n'est pas isolée de la partie du redresseur commandé, ce qui interdit un passage rapide d'une fonction à l'autre. Par conséquent, il serait intéressant d'isoler physiquement et électriquement la partie de diode redresseuse de la partie du dispositif qui fonctionne en redresseur commandé bu silicium. 10 La présente invention comprend en combinaison un redresseur commandé et une diode redresseuse formés dans un corps semiconducteur cristallin comportant deux surfaces principales opposées et un bord définissant la périphérie du corps semiconducteur, le corps semiconducteur comprend quatre régions semiconductrices de types de conduc-15 tivité alternée avec une jonction PÎT entre les régions adjacentes. Ces quatre régions comportent une région externe au niveau de chacune des surfaces et deux régions intermédiaires. Chacune des deux régions d'intermédiaires s'étend en partie jusqu'à une surface correspondante. 20 Une partie de chacune des régions intermédiaires situées au ni veau de la surface correspondante entre la région interne adjacente et le bord est fortement conductrice par rapport au reste de cette région. Ces parties de grande conductivité des deux régions intermédiaires servent à isoler la fonction de diode redresseuse du dis-25 positif de la fonction de redresseur commandé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la fig.l est une vue en coupe transversale du dispositif de 1' 30 invention ; la fig.2 est une seconde vue en coupe transversale du dispositif de la fig.l; la fig.3 est une vue en coupe transversale d'une variante du dispositif de la fig.l; 35 la fig.4 représente schématiquement le dispositif de la fig.l; 'la fig.5 est une courbe caractéristique représentant le fonctionnement du dispositif de la fig.l. BAD ORIGINAL 71 15764 3 2088344 On décrit maintenant un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant aux fig.l et 2. La fig.l représente un dispositif combiné 10 qui comprend un corps semiconducteur cristallin 12 ayaat deux surfaces principales 5 opposées 14 et 16 et un bord 18 qui définit la périphérie du corps 12. La forme et la dimension du corps ne sont pas critiques; toutefois, on préfère une forme cylindrique. A titre d'exemple, le corps 12 présente une épaisseur de 152 à 178 microns et un diamètre de 2 540 à 2 794 microns. Le corps 12 comporte quatre régions semicon-10 ductrices 20, 22, 24 et 26 de types de conductivité alternés, des jonctions PS 21, 23 et 25 étant situées respectivement entre les régions adjacentes, les régions peuvent former un montage PNPîT ou JSPÏÏP; toutefois, un montage PEPH est représenté à la fig.l et est décrit ci-après» Ces quatre régions comportent-deux régions exter-15 nés 20 et 2.6 qui sont adjacentes aux deux surfaces correspondantes 16 et 14 respectivement et comprennent en outre deux régions intermédiaires 22 et 24 qui sont adjacentes l'une à l'autre et aux deux régions externes 20 et 26 respectivement. De plus, des parties de chaque région intermédiaire 22 et 24 s'étendent jusqu'à l'une cor-20 respondante des deux surfaces. Comme représenté à la fig.l, une partie 34 de la région intermédiaire de type N 22 qui est adjacente au bord 18 au niveau de la surface 16 est fortement conductrice (îî+) par rapport au reste de cette région intermédiaire de type H et est espacée de la région externe de type P 20 par une partie de faible 25 conductivité 28 de la région intermédiaire de type Itf 22 qui s'étend jusqu'à la surface 16. D'une manière analogue, une partie 36 de la région intermédiaire du type P 24 qui est adjacente au bord 18 au niveau de la surface 14 est fortement conductrice (P+) par rapport au reste de cette région intermédiaire de type P et est- espacée de 30 la région externe de type M 26 par une partie de faible conductivité 30 de la région intermédiaire 24 qui s'étend jusqu'à la surface 14. De plus, rae partie centrale 32 de la région intermédiaire de type P 24 s'étend jusqu'à la wurface 14 et est de préférence de conductivité P + pour faciliter l'établissement d'un contact à faible 35 résistivité avec l'électrode de porte qui est décrite ci-dessous. Une première électrode 38 est disposée sur la totalité de la surface 14 sauf au voisinage de la partie centrale P + 32. Cette 71 15764 4 2088344 électrode établit un contact ohmique direct avec la région externe de type ÏT 26 et les parties 30 et 36 de la région intermédiaire de type P 24 qui s'étendent jusqu'à la surface 14- Une seconde électrode 40 est disposée sur la totalité de la surface 16 et établit un 5 contact ohmique avec la région externe de type P 20 et avec les parties 28 et 34 de la région intermédiaire de type H 22 qui s ' étendent jusqu'à la surface 16. Une électrode de porte 42 établit un contact ohmique avec la partie centrale 32 de la région intermédiaire de type P 24 au niveau de la surface 14. De préférence, une rainure 44 10 ménagée dans la surface 14 isole la première électrode 38 et l'électrode de porte 42. Les quatre régions semiconductrices 20, 22, 24 et 26 et la première électrode 38, la seconde électrode 40 et l'électrode de porte 42 forment un redresseur commandé qui fonctionne de la manière dé-15 crite précédemment. Les deux régions semiconductrices intermédiaires 22 et 24 et la première et la seconde électrodes 40 et 42 définissent une diode redresseuse qui conduit le courant lorsque le redresseur commandé est polarisé en sens inverse, les parties à haute conductivité 34 et 36 des régions intermédiaires 22 et 24 limitent 20 la conduction de la diode à la périphérie du corps 12. Une description plus détaillée du fonctionnement du dispositif est donnée ci-après en se référant aux fig.4 et 5. Le dispositif 10 comporte de préférence une multiplicité de centres de recombinaisons d'or qui sont formées dans tout le corps 25 12. Le profil de diffusion de ces centres de recombinaison esi: représenté, mais les centres ne sont pas dénombrés à la fig.2. Sn raison de la manière particulière dont le dispositif est construit,comme décrit ci-dessous, les centres de recombinaison ont tendance à être concentrés notablement dans la partie du corps 12 qui est com-30 prise entre les parties à faible conductivité 28 et 30 des deux régions intermédiaires 22 et 24. Oes centres de recombinaison l'or forment ainsi effectivement une région d'isolation électrique qui a tendance à limiter la fonction de redresseur commandé du dispositif 10 à la partie centrale du corps 12 et à limiter en outre la fonc-35 tion de diode redresseuse du dispositif 10 à la périphérie de ce corps. On décrit maintenant le no de de BAD ORIGINAL 71 15764 5 2088344 réalisation préféré du dispositif de l'invention, le matériau de départ est un corps 12 de silicium cristallin de type ÏT ayant une ré-sis tivité d'environ 20 ohms-cm. La jonction PN 23 est formée en diffusant une impureté de type P dans le corps selon une concentration 17 5 de surface relativement faible qui est de l'ordre 10 atomes par centimètre cube. Cette jonction 23 peut être formée en limitant le dopage à la surface 14 tandis que la surface 16 est protégée par un masque d'oxyde de silicium, ou bien ne peut laisser le dopant de type P pénétrer dans les deux surfaces, après quoi on l'élimine de la 10 surface 16 par une opération de décapage ou de polissage. Selon une variante, la jonction PU 23 peut être formée par un dépôt épitaxial de silicium de type P sur le corps de départ 12. On fait croître ensuite des couches isolantes d'oxyde de silicium sur les surfaces 14 et 16 du corps 12 en chauffant celui-ci pendant trois heures envi-15 ron dans une ambiance de vapeur d'eau. Ensuite, on élimine les couches isolantes des parties choisies de la surface supérieure 14 et d'une partie de la surface inférieure 16 en utilisant des procédés photolithographiques bien connus dans la technique. Les parties éliminées mettent à découvert les surfaces qui doivent devenir la ré-20 gion P + externe 20 et les parties P + 32 et 36. Ensuite, on applique une source de dopant de type P, comme par exemple du nitrure de bore, aux parties à découvert des deux surfaces 14 et 16. On chauffe ensuite le corps à 11502C pendant environ une demi-heure pour diffuser le bore dans le corps 12. 25 Ensuite, on fait croître sur les surfaces 14 et 16 de nouveau de l'oxyde de silicium. On traite les couches isolantes au moyen d' un autre procédé photolithographique pour mettre à découvert les parties des surfaces qui doivent devenir la région de type ÏT + externe 26 et la partie M + fortement conductrice 34 de la région intermé-30 diaire de type II 22. On chauffe ensuite le corps semiconducteur 12 dans la vapeur d'une source de dopant de type M, comme par exemple de 1'oxychlorure de phosphore, pendant deux heures environ à 2l65eC pour former ces régions. Les parties restantes d'oxyde de silicium sont ensuite arra- O 35 chées et une couche mince d'or d'environ 25 Â d'épaisseur est déposée par évaporation ou autrement sur chacune des surfaces 14 et 16. Le corps 12 est placé ensuite dans une atmosphère réductrice à une 71 15764 6 2088344 température comprise entre 8002C et 9002C pendant une heure environ, ce qui a pour effet de faire diffuser les impuretés or dans le corps 12. Gomme l'or diffuse beaucoup plus facilement dans une région non dopée ou légèrement dopée, les parties 28 et 30 des deux 5 régions intermédiaires 22 et 24 constituent des "fenêtres" qui permettent l'accumulation d'une plus grande concentration d'impuretés or dans ces parties du corps comprises entre les parties 28 et 30. Il en résulte un profil des centres de recombinaison d'or dans le corps tel que celui représenté et décrit en relation avec la fig.2. 10 l'or restant est éliminé des surfaces 14 et 16. la première électrode 38, la seconde électrode 40 et l'électrode de porte 42 sont déposées ensuite sur les surfaces respectives au moyen par exemple d'un procédé de dépôt électrolytique de nickel et les électrodes en nickel sont ensuite revêtues de soudure au trempé. Les disposi-15 tifs individuels sont séparés de la pastille composite et la rainure est décapée dans chaque dispositif. La seconde électrode 40 de chaque dispositif est soudée ensuite à line surface métallique qui peut être une surface de l'enceinte om du boîtier du dispositif. La fig.3 représente une variante de mode de réalisation du dis-20 positif de l'invention. Ce dispositif 70 est essentiellement le même que le dispositif 10 de la fig.l, sauf que la région intermédiaire de type U 74 comprend une région 6- fortement résistive 76 adjacente à la région intermédiaire de type P 24 et une région N 78 de plus grande conductivité que la région ÏT-76. La région M 78 s'étend jus-25 qu'à la surface inférieure 16 et comprend la partie JJ + de grande conductivité 84 qui est séparée de la région externe P+ adjacente 20 par -une partie 88 de la région Jî 78 s'étendant jusqu'à la surface. Ce mode de réalisation est utile lorsque le dispositif doit fonctionner à la plus haute tension de blocage pour une épaisseur 30 donnée de la région intermédiaire de type ÏT, car la région N 78 empêche la couche d'appauvrissement de s'étaler suffisamment près de la région externe + 20 pour commuter le dispositif à l'état conducteur. La fabrication du dispositif de la fig.3 peut commencer avec 35 la diffusion simultanée de dopants de type P et de type N dans les côtés opposés d'une pastille de type ïï et légèrement dopée. Les stades intérieurs de masquage et de diffusion des impuretés P+ et ÎT+ BAD ORIGINAL 71 15764 7 2088344 sont ensuite les mêmes que pour le dispositif de la fig.l. La fig-4 est un schéma électrique 50 du dispositif 10 des fig. 1 et 2 dans lequel une diode redresseuse 52 est connectée en parallèle avec un redresseur commandé au silicium 54, la diode 52 étant 5 montée de manière à conduire le courant en sens direct dans une direction opposée à celle du redresseur 54. Le dispositif 10 est équivalent électriquement au dispositif 50 car une jonction de diode est prévue entre la région P intermédiaire 24 qui constitue la région d' anode de la diode 52 et la région ÎT intermédiaire 22 qui sat de ré-10 gion de cathode de la diode. La première et la seconde électrodes 38 et 40 servent d'électrodes d'anode et de cathode respectivement pour la diode 52 de la fig.4. Le redresseur commandé a la configuration P + N - PH+ avec les régions 20, 22, 24 et 26 respectivement, et une anode 40, une cathode 38 et une électrode de porte 42. 15 En fonctionnement, lorsqu'une tension de polarisation positive est appliquée à la cathode du redresseur commandé au silicium et une tension de polarisation négative est appliquée à l'anode du redresseur, la diode conduit le courant. Ainsi, pendant les périodes où le redresseur commandé est polarisé à l'état bloqué, la diode périphé-20 rique définie par les régions P et II- 24 et 22 (fig.l) est polarisée en sens direct et conduit le courant dans une direction inverse de celle du redresseur commandé au silicium. Les parties annulaires fortement conductrices 36 et 34 de ces deux régiGns et les centres de recombinaison d'or décrits précédemment limitent effectivement 25 la circulation de courant inverse dans la diode à la périphérie du corps 12. Lorsque le redresseur commandé 54 est polarisé en sens direct, il peut être rendu conducteur par l'application d'impulsions de tension positive à son électrode de porte, ce qui a pour effet de faire fonctionner le dispositif le la manière décrite précédemment. 30 Les caractéristiques électriques d'un dispositif construit de la manière décrite ci-dessus sont représentées à la fig.5 dans laquelle le courant anode-cathode est porté en ordonnée et la tension entre l'anode et la cathode en abscisse. Lorsque le potentiel entre l'anode et la cathode du redresseur commandé est orienté dans le sens in-35 verse non conducteur, la partie de redresseur du dispositif est non conductrice mais la diode redresseuse périphérique est polarisée dans le sens direct et conduit le courant inverse» Ceci est repré 71 15764 8 2088344 senté par la partie 60 de la courbe courant-tension. Lorsque la polarité de la tension de polarisation appliquée est changée de manière à polariser le redresseur en sens direct, il circule un petit courant de fuite. Lorsque la tension de polarisation en sens direct 5 est augmentée, on atteint un point de tension 62 pour lequel le courant en sens direct augmente rapidement. Lorsque le courant direct excède une valeur critique, la tension aux bornes du redresseur commandé revient à une valeur faible. A ce point, le redresseur commandé est à l'état conducteur et le courant direct augmente rapidement 10 avec de légères augmentations de la tension de polarisation en sens direct. Ceci est représenté par la partie 64 de la courbe caractéristique de la fig.5. Le dispositif décrit ci-dessus présente ainsi les caractéristiques de fonctionnement avantageuses d'un redresseur commandé et est 15 en outre capable de supporter une circulation de courant en sens inverse. Ce dispositif convient donc pour les applications électroniques nécessitant un redresseur commandé au silicium en même temps qu'une diode redresseuse connectée en parallèle séparée. 71 15764 9 2088344 RhiVENDI C ATI ON S - 1.- Dispositif constitué par un thyristor et un redresseur so-lidairep, caractérisé en ce qu'il comprend un corps semiconducteur cristallin comportant deux surfaces principales opposées au bord 5 définissant la périphérie du corps, le corps comprenant quatre régions semiconductrices de types de conductivité alternés, une jonction Pil étant comprise entre les régions adjacentes, les quatre régions comportant une région externe au niveau de chacune des surfaces, et deux régions intermédiaires dont chacune comporte une par-10 tie s'étendant jusqu'à l'une des surfaces, et une partie de chacune des régions intermédiaires au niveau de la surface correspondante entre la région externe adjacente et le bord étant fortement conductrice par rapport au reste de la région intermédiaire. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 la partie fortement conductrice de la région intermédiaire est séparée de la région externe adjacente par une partie de conductivité relativement faible de la région intermédiaire s'étendant jusqu'à la surface correspondante. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que 20 le corps comporte une multiplicité de centres de recombinaison qui sont concentrés sensiblement entre les parties de conductivité relativement faible de chacune des régions intermédiaires s'étendant jusqu'aux surfaces correspondantes. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que 25 les centres de recombinaison comprennent des impuretés or.