Brevet FR2083467A1 — publié le 19711217

L'invention concerne des dispositifs régulateurs~de tension et, plus précisément, un circuit régulateur de tension à semi-conducteur susceptible de passer d'un état d'impédance élevée à un état de faible impédance lorsqu'une tension appliquée 5 au dispositif atteint une valeur prédéterminée. Les diodes à avalanche et les diodes Zenersont des composants semi-conducteurs de rupture de tension qui ont été jusqu' ici largement utilisés pour la régulation de tensions dans des circuits électroniques. Ces composants peuvent être considérés 10 comme des réalisations particulières de la catégorie générale des diodes à jonction P-N, dans lesquelles un potentiel électri- . que, servant de barrière à la conduction dans un sens, est présent à la jonction des régions P et N. Comme on le sait, un tel composant permettra la conduction en cas d'application d'une ten-15 sion extérieure de grandeur suffisante pour abaisser la barrière de potentiel et permettre ainsi le passage de courant à travers le composant. La hauteur de la barrière de potentiel est une caractéristique propre à chaque composant et, entre autres facteurs, elle est fonction de la densité d'impureté de dopage 20 du composant semi-conducteur. Les diodes Zener et à avalanche mettent l'une et l'autre à profit des phénomènes particuliers qui fournissent des porteurs pour entretenir la conduction à travers le composant lorsque la barrière de potentiel au niveau de la jonction P-N est élevée. 25 L'effet Zener intervient lorsque le champ électrique dans la région de transition entre les régions P et N devient assez intense, grâce à une tension appliquée de l'extérieur, pour que les forces électriques soient suffisantes pour arracher des électrons des liaisons covalentes dans la matière située dans la région. 30 Lorsque le champ électrique dans la région est devenu suffisamment intense pour rompre une liaison covalente, il a été constaté qu'il est suffisamment fort pour en rompre plusieurs, si bien qu'une fois que l'effet Zener est amorcé, il se produit une forte élévation du courant inverse à travers la diode, pour une élé-35 vation négligeable de la tension de la jonction. La tension à travers la diode est donc presque constante dans la région de rupture. L'effet Zener constitue le processus de rupture lorsqu' une telle diode est fortement dopée et lorsque la valeur de la tension de rupture est relativement basse. Par contre, l'effet 40 d'avalanche constitue le processus de rupture lorsque la diode 71 09809 2 2083467 est faiblement dopée et que la tension de rupture est relativement élevée. Des porteurs engendrés thermiquement à partir des régions P-N et croisant la région de transition effectuent de nombreuses collisions avec des éléments du réseau cristallin. 5 Le cas échéant, ces porteurs gagnent suffisamment d'énergie cinétique entre des collisions pour arracher un électron d'une liaison covalente. Cependant, dans ces deux types de composants de rupture, la tension à laquelle la rupture intervient est fixée pour cha-10 que composant et est déterminée par son mode de fabrication, c' est-à-dire le degré de dopage d'impureté par exemple. Le fait que la tension de rupture est fixe pour chaque composant et qu* on ne disposait jusqu'ici d'aucun composant dans lequel la tension de rupture soit variable s'est traduit par d'importantes 15 limitations dans l'application pratique de ces composants. En effet, étant donné que la tension de rupture est établie dans de tels composants au moment de leur fabrication, ce qui interdit toute modification ou réglage ultérieur lorsque les composants sont en service, de nombreux dispositifs se sont révélés 20 inaptes a satisfaire à des spécifications de tension précises et doivent être mis au rebut, ce qui se traduit finalement par une réduction des rendements et une élévation des prix de revient. En outre, étant donné qu'une grande variété de tensions est exigée dans les applications pratiques, la caractéristique fixée 25 de tension de rupture oblige les fabricants, les distributeurs et utilisateurs à entretenir un stock important, ce qui contribue à l'élévation des frais généraux. De plus, avec des composants de ce genre, tels qu'ils étaient jusqu'ici disponibles, le coefficient de température, c'est-à-dire la variation de la tension 30 de rupture avec la température, atteignait une valeur inadmissible. L'un des buts de l'invention est donc de fournir un composant semi-conducteur qui possède une caractéristique courant-tension comparable à celle d'une diode de rupture, mais qui soit 35 en outre doté de la caractéristique désirable d'une tension de rupture variable. Un autre but de l'invention est de fournir un tel composant semi-conducteur dont le coefficient de température soit relativement faible et indépendant de la tension de rupture. 40 En bref, selon l'un des aspects de l'invention, il est pré 71 09809 3 2083467 vu un composant semi-conducteur comportant deux bornes auxquelles peut être appliquée une tension extérieure qui doit être réglée. A l'intérieur du composant sont incorporés des moyens interrupteurs à semi-conducteurs et des moyens de rupture de tension qui 5 sont connectés entre les deux bornes et qui coopèrent pour produire une élévation notable de la conductance entre les deux bornes lorsque la tension extérieure appliquée à celles-ci atteint la tension de travail prédéterminée du composant. Fait important, le composant contient des moyens, connectés aux deux 10 bornes et aux moyens de rupture de tension, pour permettre de faire varier et de choisir au préalable le niveau de tension de travail prédéterminé. D'autres buts et avantages de l'invention seront mieux compris en considérant la description suivante et les dessins 15 , , qui s'y ra""crtent. La fig. 1 est un schéma du composant et du circuit faisant l'objet de l'invention. La fig. 1A est un schéma d'une autre possibilité de réalisation d'une partie de la fig. 1. 20 La fig. 2 est une représentation graphique de certaines caractéristiques de courant en fonction de la tension, mesurées entre les bornes du composant représenté sur la fig. 1. La fig. 3 représente un type de pastille semi-conductrice pour la réalisation en circuit intégré du composant faisant 25 l'objet de l'invention. La fig. 4 est le schéma du circuit d'un autre mode de réalisation possible de l'invention. La fig. 5 est une vue en plan d'un type de pastille semi-conductrice correspondant au circuit de la fig. 4. 30 La fig. 6, enfin, est une vue en coupe transversale de la structure de la fig. 1. Dans la forme d'exécution illustrée par la fig. 1, le composant régulateur de tension 1 comporte une première et une seconde bornes, 2 et 3 respectivement, auxquelles est appliquée 35 une tension extérieure qui doit être réglée. Des moyens interrupteurs à semi-conducteur 4, munis d'une borne de commande, sont montés entre la première et la seconde bornes, 2 et 3 respectivement. Il s'est révélé préférable de réaliser les moyens interrupteurs à semi-conducteur 4 sous la forme de deux transistors 40 connectés en montage de Darlington entre les bornes 2, 3, la 71 09809 4 2083467 borne de base de l'un des transistors constituant la borne de commande des moyens interrupteurs. Pour préciser, il est prévu un premier transistor 5 muni de bornes de base 6, d'émetteur 7 et de collecteur 8, et un second transistor 9 comportant des 5 bornes de base 10, d'émetteur 11 et de collecteur 12. La borne de base 6 du transistor 5 constitue la borne de commande des moyens interrupteurs à semi-conducteur 4 et la borne de collecteur 8 du transistor 5 est connectée à la borne 2 du composant. La borne d'émetteur 7 du transistor 5 est connectée à la borne 10 de base 10 du transistor 9. La borne de collecteur 12 du transistor 9 est également connectée à la borne 2 et son émetteur 11 est couplé à l'autre borne 3 du composant 1. Dans le composant 1 sont aussi incorporés des moyens de polarisation sous la forme d'une résistance 13 qui est montée entre la borne de base 6 du 15 transistor 5 et la borne d'émetteur 11 du transistor 9. Le composant 1 contient par ailleurs des moyens de rupture de tension sous la forme d'une diode Zener 15 munie d'une première et d'une seconde bornes 16 et 17 respectivement. La première borne 16 de la diode Zener 15 est connectée à la borne de commande des moyens inter- 20 rupteurs 4, c'est-à-dire à la borne de base 6 du transistor 5. Des moyens permettant de faire varier la tension de service du composant 1 sont connectés aux bornes 2, 3 et aux moyens de rupture de tension ou diode Zener 15. Dans le mode de réalisation de l'invention illustré par la fig. 1, ces moyens comprennent 25 une première résistance de polarisation 18 montée entre la borne 2 du composant et la borne 17 des moyens de rupture de tension 15, et une seaonde résistance de polarisation 19 montée entre la borne 17 des moyens de rupture de tension 15 et la borne 3 du dispositif. Dans un deuxième mode de réalisation, illustré par 30 la fig. 1A, les résistances 18 et 19 constituent un potentiomètre dont les bornes fixes sont connectées aux bornes 2, 3 et dont la borne mobile est connectée à la borne 17 du dispositif de rupture 15. En service, le composant 1 est monté dans un circuit tel 35 qu'une tension à régler soit appliquée aux bornes 2, 3. La tension de travail du composant est définie comme étant la tension qui, appliquée aux bornes 2, 3, donne lieu à la fois à la rupture de la diode Zener 15 et à la conduction des transistors 5, 9. Lorsque la tension de travail du composant 1 est atteinte aux 40 bornes 2, 3, la conduction entre les bornes 2,3 s'élève fortemerfc. 71 09809 5 2083467 Lorsque la tension entre les bornes 2 et 3 est au-dessous de la tension de travail du composant 1, la conduction entre les bornes 2, 3 sera négligeable et, en conséquence, le passage de courant à travers le composant sera négligeable. Il est possible 5 de faire varier dans une large gamme la tension de travail du composant 1, en choisissant simplement les valeurs relatives des résistances 18, 19 de telle sorte que, pour la tension de travail voulue entre les bornes 2, 3, la tension entre la borne 17 et la borne 3 soit égale à la tension de rupture de la diode 10 Zener 15, plus les chutes base-émetteur des transistors 5 et 9. Si cette condition est satisfaite, une élévation de la tension entre les bornes 2, 3 rendra la diode Zener 15 conductrice et provoquera aussi l'activation des transistors 5 et 9, d'où il résultera une forte augmentation de la conduction entre les bor-15 nés 2, 3 pour une faible élévation de la tension à ces bornes. La diode Zener 15 peut avoir toute tension de rupture particulière, mais une valeur de 7 V environ s'est révélée appropriée pour que le coefficient de température global du composant 1 soit réduit dans la mesure désirable. En conséquence, le coef-20 ficient de température du composant 1 peut être relativement faible et il est pratiquement indépendant de la tension de travail du composant. La résistance 13 détermine la polarisation de courant de travail de la diode 15 et cette résistance doit avoir une valeur élevée pour éviter de charger le diviseur de tension 25 constitué par les résistances 18, 19, mais elle doit avoir une valeur suffisamment faible pour polariser la diode 15 à un point de travail approprié. On a constaté qu'une valeur comprise dans la gamme de 10 à 200 kilo-ohms est satisfaisante pour la résistance 13. 30 La fig. 2 représente les caractéristiques de courant- tension entre les bornes 2,3 du composant de la fig. 1, pour plusieurs valeurs des résistances 18 et 19. On obtient la courbe 20 par exemple dans le cas où la résistance 19 est supprimée. Si l'on diminue la valeur de la résistance 18 et qu'on augmente 35 celle de la résistance 19, ou si la valeur de la résistance 19 est seulement augmentée, on obtiendra des caractéristiques successives de travail telles que représentées par les courbes 21, 22. La gamme supérieure de tension du composant 1 est limitée par les tensions de rupture collecteur-émetteur des transistors 40 5 et 9. Tandis que la tension entre les bornes 2, 3 est élevée 71 09809 6 2083467 jusqu'au point auquel la régulation de tension est obtenue, un faible courant passera entre les bornes 2, 3, du fait de la présence des résistances 18, 19. Ce phénomène est indiqué par le segment 24 des courbes de la fig. 2. Si les valeurs de toutes 5 les résistances du composant sont choisies au maximum possible, ce phénomène peut être réduit à un minimum. Le gain de courant effectif élevé des deux transistors 5,9 connectés en montage de Darlington permet que les résistances 18, 19 aient une valeur élevée, tout en maintenant une bonne stabilité à la température 10 et une faible résistance dynamique à l'intérieur du composant dans son ensemble. La fig. 3 représente une réalisation typique de pastille semi-conductrice intégrée, pour la partie du composant qui est encadrée de lignes discontinues sur la fig. 1. Une pastille 100 15 peut être formée d'une matière de silicium monocristallin de type N, qui est un carré dont le côté mesure environ 0,55 mm et dont l'épaisseur est de quelques centièmes de millimètres, recouverte d'une couche appropriée de passivation 101, par exemple un oxyde de silicium. Pour mieux faire comprendre le dessin 20 de la fig. 3 et le rendre plus clair, la couche de passivation 101 a été représentée découpée, étant bien entendu que cette couche de passivation recouvre en fait complètement la face supérieure de la pastille, à l'exception des zones de contact métallique et de trajets conducteurs en métal qui seront décrits 25 ci-après. Deux régions P séparées 106, 110 sont d'abord formées simultanément par diffusion dans le silicium 100 par des techniques classiques de diffusion planar. Puis trois régions N séparées 115, 107 et 111 sont formées simultanément par diffusion dans les régions P respectives. Des zones de contact 117, 32, 30 33, 103, 35 sont ouvertes dans l'oxyde de silicium et un métal tel que l'aluminium ou l'or y est déposé pour former des contacts ohmiques avec le silicium de type N ou P qui entoure ces zones. Les zones 32, 33 et 103, 35 sont réunies deux à deux, par un dépôt de métal sur l'oxyde dans les régions désignées 35 par 36 et 37, de manière à former des trajets électriques entre les zones précitées. La pastille 100 est finalement montée dans une enveloppe appropriée et un contact ohmique 102 avec la pastille 100 sert à former une borne qui correspond à la borne 2 du composant de la fig. 1 . 40 La zone de contact 117 de la pastille représentée sur la 71 09809 7 2083467 figure 3 correspond à la borne 17 du composant 1 de la figure 1, la région N 115 et la région P 106 constituent la diode Zener 15 et la partie 113 de la région P 106 correspond à la résistance 13. En outre, l'émetteur 7 du transistor 5 de la figure 1 est formé 5 par la région N 107, la jonction collecteur du transistor 5 est formée entre la région P 106 et la pastille 100 de matériau de type N. L'émetteur 11 du transistor 9 est formé par la région N 111 et la jonction collecteur du transistor 9 est formée entre la région P 110 et la pastille 100 de matériau de type N. La bor— 10 ne 3 du composant de la figure 1 correspond au contact ohmique 103. Des conducteurs sont fixés aux régions 117, 103 pour constituer les bornes 17 et 3 respectivement du composant. Dans l'autre mode de réalisation possible de l'invention illustré par la figure 4, la diode Zener 45 de rupture de tension 15 est montée entre l'émetteur du transistor 5 et la base du transistor 9, et la base du transistor 5 est connectée directement à la borne 17. La résistance 53 est montée entre la borne 3 et la base du transistor 9. Avec cette disposition, la polarisation de courant émetteur du transistor 5 et le courant de polarisation de 20 la dLiode 45 du régulateur à rupture de tension sont déterminés par la valeur de la résistance 53 et la chute de tension base-émetteur du transistor 9. Bien qu'il soit souhaitable de polariser la diode 45 à un niveau de courant raisonnablement élevé, de 10C micrcam-pères par exemple, afin d'éviter une rupture molle delà diode, le 25 courant d'entrée à la base du transistor 5 peut être très faible, étant donné qu'il est multiplié par le gain de courant du transistor 5, pour constituer le courant de polarisation pour la diode 45. La résistance 53 peut avoir, dans le mode de réalisation de la figure 4, une valeur inférieure à celle de la résistance 13 de la 30 forme d'exécution de la figure 1 et elle .prend donc moins de surface de la pastille semi-conductrice dans une réalisation intégrée. Un autre avantage du mode de réalisation de la figure 4 tient au fait que le courant émetteur du transistor 5 n'est pas déterminé entièrement par le courant base du transistor 9 et, par suite, 35 le courant émetteur et le gain de courant du transistor 5 ne seront pas indésirablement bas lorsqu'il existe de faibles valeurs de courant entre les bornes de sortie 2 et 3. Cela évite que la résistance progressive entre les bornes 2 et 3 soit indésirable-ment élevée aux faibles valeurs de courant entre les bornes de 40 sortie 2 et 3 0 71 09809 8 2083467 Les figures 5 et 6 sont respectivement une vue en plan et une vue en coupe d'une forme d'exécution intégrée de la partie du composant encadrée par les lignes de tirets sur la figure 4. Le matériau de départ est un corps 225 de silicium monocristal-5 lin de type N, recouvert d'une couche de passivation appropriée 235, par exemple un oxyde de silicium. Par des techniques classiques de diffusion, les régions de base de type P 226, 227 et 331 y sont formées simultanément. Les deux régions émetteur de type N 228 et 230 et la région de type N 229 sont formées simultané-10 ment de la même manière. Des zones métallisées de contact ohmique 332, 333, 334, 335 et 336 sont formées par des techniques connues en soi, en utilisant un métal tel que l'or ou l'aluminium par exemple. Les zones de contact 333 et 334 sont réunies par une zone métallisée 337 qui surmonte la couche d'oxyde de silicium de la 15 pastille 225. La région de contact 336 forme un contact ohmique, tant avec la région N 330 sous-jacente qu'avec la région P 331 entourée par la région N 330. Un contact ohmique 339 est également prévu pour la pastille 225, par exemple sur sa face inférieure, comme on peut le voir nettement sur la figure 6. 20 La région 226 constitue la base du premier transistor 5 et la région 228 forme l'émetteur du transistor 5. Le contact 332 correspond correspond à la borne d'entrée 17 dans le circuit équivalent de la figure 4. La diode régulatrice de tension 45 est formée par la jonction entre la région N 229 et la région P 227. La 25 région 227 constitue aussi la région de base du transistor 9 et la région 330 constitue l'émetteur du transistor 9. Le contact 336 correspond à la borne 3 de la figure 4. La jonction collecteur du transistor 5 est formée entre la région P 226 et la région N 225. La jonction collecteur du transistor 9 est formée entre la 30 région P 227 et la région N 225. Le contact 339 est la borne collecteur pour les deux transistors et il correspond à la borne 2 dans le circuit équivalent de la figure 4. La résistance 53 est formée par la résistance de la partie de la région 227 qui s'étend de la partie centrale 331 entourée par l'émetteur 330 à la 35 partie de la région de base 227 située au bord extérieur de l'émetteur 33 0o Il est donc visible que les composants décrits et représentés sur les figures 1 à 6 atteignent les buts de l'invention. Conformément à l'invention, il est fourni un dispositif régulateur de 40 tension dont la tension de rupture ou de travail n'est pas fixe ou 71 09809 9 2083467 limitée par les propriétés inhérentes du corps semi-conducteur. Au contraire, la régulation de tension peut être réalisée à différentes tensions de travail préalablement choisies et variables, selon un simple réglage extérieur. En outre, le coefficient de 5 température du composant peut être rendu très faible et pratiquement indépendant de la tension de travail. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qii précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation 10 de ses diverses parties, ayant été plus spécialeraent indiqués ? elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 71 09809 10 2083467 REVENDICATIONS 1. Dispositif régulateur de tension, caractérisé par le fait qu'il comprend : une première et une seconde bornes auxquelles est. appliquée une tension extérieure qui doit faire l'objet de la ré- 5 gulation ; des moyens interrupteurs à semi-conducteur montés entre ladite première et ladite seconde bornes et comportant une borne de commande ; des moyens de rupture da tension comportant une première et une seconde bornes # la première borne étant connectée h la borne de commande ; des moyens de polarisation monter: entre. 2. a 10 borne de commande et la seconde borne du dispositif ; et des rnoyans de réglage connectés à la première et à la seconde bornes du tUspositif et à la seconde borne des moyens de rupture de tension, po'ur faire varier la tension de travail du dispositif régulateur, 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait 15 que les moyens de rupture de tension sont constitués par une diode Zenero 3. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens interrupteurs à semi-conducteurs sont constitués par un premier transistor qui présente des bornes de base, d'émet- 20 teur et de collecteur, la borne dè collecteur du premier transistor étant connectée à la première borne du dispositif et la borne d'émetteur du premier transistor étant connectée à la seconde borne du dispositif ; et qu'il est prévu un second transistor comportant des bornes de base, d'émetteur et de collecteur, la borne de 25 collecteur de ce second transistor étant connectée à la borne de collecteur du premier transistor, la borne d'émetteur du second transistor étant connectée à la borne de base du premier transistor et la borne de base du second transistor étant connectée à la borne de commande. 30 4. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de polarisation sont constitués par une résistance» 5. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de réglage pour faire varier la tension de travail du dispositif régulateur comprennent : des premiers moyens de po- 35 larisation montés entre la borne de commande et la première borne du dispositif, et des seconds moyens de polarisation montés entre la borne de commande et la seconde borne du dispositif. 6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les premier et les second moyëns de polarisation sont chacun 40 constitués par une résistance. 71 09809 ii 2083467 7. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de réglage pour faire varier la tension de travail du circuit régulateur sont constitués par un potentiomètre monté entre la première et la seconde bornes du dispositif et comportant 5 une borne mobile qui est connectée à la borne de commande. 8. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens interrupteurs à semi-conducteur sont constitués par un premier transistor comportant des bornes de base, d'émetteur et de collecteur, la borne de collecteur de ce premier tran- 10 sistor étant connectée à la première borne du dispositif et la borne d'émetteur de ce premier transistor étant connectée à la seconde borne du dispositif ; et qu'il est prévu un second transistor comportant des bornes de base, d'émetteur et de collecteur, la borne de collecteur du second transistor étant connectée à la 15 borne de collecteur du premier transistor, laborne d'émetteur du second transistor étant connectée aux moyens de rupture de tension, et la borne de base du second transistor étant connectée aux moyens de réglage. 9. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait 20 que les moyens de rupture de tension sont constitués par une diode Zener, par le fait que les moyens de réglage sont constitués par une première et une seconde résistances montées en série entre la première et la seconde bornes, et par le fait que des moyens amplificateurs sont montés entre la diode Zener et le point commun 25 de la première et de la seconde résistances.