Brevet FR2086123A1 — publié le 19711231

i 2086123 La présente invention concerne un commutateur triode bilatéral à grande vitesse de commutation. Un commutateur triode bilatéral, connu aussi sous la désignation "triac" est un dispositif commutateur à l'état solide à 5 plusieurs couches ayant au moins deux électrodes principales et une électrode de commande. La triode triac est non conductrice dans les deux sens quand la tension entre l'électrode de commande et une électrode principale est inférieure à une certaine valeur ou valeur de déclenchement, et elle est conductrice dans les 10 deux sens quand la tension entre l'électrode de commande et une électrode principale est supérieure à une valeur prédéterminée. L'électrode de commande perd la commande de la conductivité de la triode quand elle devient conductrice, mais cependant la triode devient non conductrice (en supposant qu'il n'y a pas de 15 tension de déclenchement sur l'électrode de commande) peu après la chute à zéro de la tension appliquée à 1'électrode principale quand elle prend la charge de sa couche principale pour la dissiper. Par suite, une triode triac ne devient pas instantanément non conductrice après que la tension appliquée aux électrodes 20 principales est arrivée à zéro et elle peut rester conductrice bien que la tension entre les électrodes principales soit passée par zéro si la fréquence du signal appliqué aux électrodes principales est élevée par comparaison au temps nécessaire pour que la couche principale se décharge. La conductivité de la triode 25 triac est alors maintenue jusqu'à la demi-période suivante de la tension appliquée aux électrodes principales du triac, de sorte que la triode reste conductrice tant que le courant alternatif haute fréquence est appliqué aux électrodes principales, et par suite l'utilité de la triode triac est limitée aux fréquences 30 plus basses du signal appliqué. La présente invention a pour objet un commutateur triode bilatéral du type "triac" devenant non conducteur plus rapidement que les triodes triacs déjà connues après l'arrivée à zéro de la tension appliquée aux électrodes principales. 35 Conformément à l'invention, une triode triac comporte une partie de la couche principale séparée du point de vue de la conductivité de l'autre partie de la couche principale. Suivant un mode de réalisation pratique, une fente est formée à peu près complètement à travers le triac et les différentes jonctions PN 71 13368 2 2086123 coupées par la fente peuvent être passivées, par exemple en recouvrant les surfaces exposées de la fente d'un isolant tel que du bioxyde de silicium. Pour rétablir la résistance mécanique de la triode, le reste de la fente est rempli d'un isolant, par 5 exemple par dépôt de silicium polycristallin dans la fente. Il en résulte une triode triac pouvant subir la commutation à des vitesses plus élevées que les triodes triacs connues jusqu'ici. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple 10 et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue en perspective du côté supérieur d'une triode triac selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, La figure 2 est une vue en perspective du côté intérieur du triac de la figure 1, 15 Les figures 3 et 6 sont des coupes suivant la ligne 3-3 de la figure 1 et, Les figures 4 et 5 sont des coupes suivant la ligne 4-4 de la figure 1. Suivant la figure 1, le côté supérieur de la triode triac 20 10 est le côté cathode. Deux électrodes 14 et 16 sont déposées sur le côté supérieur de la triode 10. L'électrode 14 est l'électrode principale ou électrode de cathode et elle couvre toute la largeur de la partie principale du côté cathode du bloc, en laissant une région d'extrémité du côté cathode non couverte par 25 l'électrode 14. Une extrémité du triac 10 est couverte par l'électrode de commande 16. L'électrode 16 a la môme largeur que la triode 10 et l'électrode 16 est uniforme dans la dimension longitudinale de la triode 10, sauf qu'une languette 18 de l'électrode 16 dépasse à partir du milieu d'une moitié latérale de l'électro-30 de 16 dans un but expliqué ci-après. Les électrodes 16 et 14 sont espacées l'une de l'autre de la façon représentée sur la figure 1. Une autre électrode principale ou d'anode, 20 couvre à peu près complètement le côté inférieur ou côté anode du triac 10 de la façon représentée sur la figure 2. 35 La structure dé la triode 10 est décrite en considérant les figures 1, 2, 3 et 4 et les figures 3, 4, 5 et 6 sont utilisées pour décrire le fonctionnement du triac 10. Une couche d'électrode de commande 24 de type N s'étend, sauf en ce qui concerne là fente 26 et une entaille 28 à côté du 71 13368 3 2086123 bord supérieur de la triode 10 de la façon représentée sur la figure 1. Une couche de base supérieure 30 du type P est située sous la couche d'électrode de commande 24 et s'étend dans l'entaille 28 de celle-ci sur les deux côtés de la fente 26. Comme 5 le montre la figure 1, à droite de la fente 26,1a couche 30 type P s'étend de la fente 26 jusqu'au bord extérieur de la triode ÎO dans la direction latérale, et elle occupe toute la longueur de la triode ÎO dans la direction longitudinale. A gauche de la fente 26, la couche 30 type P s'étend de la fente 26 au bord de 10 la triode 10 dans la direction latérale (qui est appelée la largeur de la triode) et aussi elle s'étend sur toute la longueur de la triode 10. Cependant, à gauche de la fente 26, la couche 30 type P se trouve non seulement sous la couche d'électrode de commande 24, mais aussi sous une couche 32 type N comme le mon-15 tre plus clairement la figure 2. La couche 30 type P forme la partie de droite du côté supérieur de la triode 10, sauf en ce qui concerne la partie couverte par la couche d'électrode de commande 24. La couche 30 type P à gauche de la fente 26 forme le dessus du triac seulement sur la distance comprise entre le 20 bord de l'électrode 16 (mais non de sa languette 18) et l'électrode 14. La couche 30 type P s'étend aussi vers le haut à travers la partie centrale de la couche 32 de la façon représentée en tirets sur la figure 1. La languette 18 de l'électrode 16 vient en contact avec la couche 30 type P au-delà de la couche 25 d'électrode de commande 24, de sorte que l'électrode de commande 16 vient en contact avec les deux parties de la couche d'électrode de commande 24 et de la couche 30 type P des deux côtés de la fente. L'électrode de cathode 14 est en contact avec la couche 30 type P des deux côtés de la fente 26 et l'électrode de cathode 30 14 est en contact avec la couche 32 type N à gauche de la fente 26f de la façon représentée sur la figure 1. Une couche de base principale 34 type N d'une épaisseur sensiblement uniforme s'étend dans chaque sens latéral à partir de la fente 26 jusqu'aux bords de la triode. Une couche base infé-35 rieure 36 type P est située sous toute la couche 34 type N, mais bien que la fente 26 pénètre dans la couche base inférieure 36, la fente 26 ne coupe pas en deux cette couche base inférieure 36. Comme le montre la figure 2, la couche base inférieure 36 comporte une entaille en équerre pour recevoir une couche inférieure 40 71 13368 4 2086123 type N. La partie longue de la couche inférieure en équerre 40 occupe la longueur du triac 10 sur le côté gauche de la triode 10 suivant la figure 2, et cette partie a environ la moitié de la largeur de la triode. La partie courte de 1'équerre est plus 5 large que la couche d'électrode de commande 24, et elle occupe toute la largeur du triac à l'extrémité comportant l'électrode de commande. L'épaisseur de la couche 40 type N peut varier d'après la caractéristique désirée pour la triode. L'électrode d'anode 20 est en contact à la fois avec la surface inférieure de la 10 couche 36 type P et avec la surface inférieure de la couche 40 type N. La fente 26 peut Être formée dans le bloc avant que le bloc soit traité pour former la triode 10 ou bien elle peut être formée après ce traitement. Toutes les jonctions P-N exposées par 15 les surfaces de la fente 26 sont passivées, par exemple par croissance ou par dépôt d'une couche de bioxyde de silicium 42 sur les surfaces de la fente 26 de n'importe quelle façon connue, L'espace de la fente 26 non remplie de la couche de passivation peut être rempli d'un isolant 44 tel que du silicium polycristallin. 20 II sera noté que la fente 26 ne pénètre que partiellement vers la couche 36 et qu'elle ne pénètre pas du tout dans la couche 40. Le fonctionnement du commutateur triode ou triac selon l'invention est décrit en considérant particulièrement la figure 3 et en supposant que l'électrode de commande 16 est positive 25 par rapport à la tension de l'électrode de cathode 40, et que l'électrode d'anode 20 est négative par rapport à l'électrode de cathode 14. Le courant passe de l'électrode 16 vers l'électrode 14 de la façon représentée par les flèches horizontales en traits pleins à travers la couche 30, ce qui établit un potentiel positif 30 dans l'extrémité de la couche 30 voisine de l'entaille 28. La jonction 52 entre les couches 30 et 34 devient polarisée dans le sens direct au point que les trous s'écoulent de la couche 30 vers la couche 34 de la façon indiquée par les flèches verticales en traits pleins traversant la jonction PN 52. Certains de ces trous 35 sont collectés par la jonction PN 54 entre les couches 34 et 36, de sorte que la jonction PN 56 entre les couches 36 et 40 devient plus polarisée dans le sens direct. Les électrons s'écoulent aussi de la façon représentée par des flèches en tirets à travers la couche 40 vers la couche 36, à travers la jonction PN 56. Ces 71 13368 5 2086123 électrons sont collectés par la jonction 54, de sorte que la couche principale 34 devient encore plus négative et que par suite une quantité plus importante de trous est injectée de la couche 34 dans la couche 36, et très rapidement la triode 10 devient entiè-5 rement conductrice entre l'électrode d'anode 20 et l'électrode de cathode 14. Il sera maintenant supposé que l'électrode de commande 16 est positive par rapport à l'électrode de cathGde 14 et que l'électrode d'anode est positive par rapport à l'électrode de cathode 10 14. En considérant la figure 4, le courant circule de l'électrode de commande 16 vers l'électrode de cathode 14,ce qui rend positif le potentiel à l'angle ou près de l'angle de la partie de la couche 32 la 'plus voisine de la couche 24. Quand cette tension dépasse environ 1/2 volt, la partie voisine de la jonction PN 50 15 entre les couches 32 et 30 devient conductrice et des électrons indiqués par les flèches en tirets sont injectés à partir de la couche 32 à travers la jonction 50 et à travers la couche 30, et ils sont collectés par la jonction PN 52. Quand ces électrons passent dans la couche principale 34, ils abaissent son potentiel 20 par rapport à celui de la couche 36, de sorte que des trous sont injectés dans la couche principale 34 à partir de la couche 36, à travers la jonction PN 54.En un temps très court, le nombre de trous augmente au point que la triode est complètement conductrice entre l'électrode d'anode négative 20 et l'électrode de 25 cathode positive 14. Il sera maintenant supposé que l'électrode de commande 16 est négative et que l'électrode d'anode 20 est positive par rapport à l'électrode de cathode 14. Eiî considérant la figure 5, il sera noté que la jonction PN 58 entre la couche à'électrode de 30 commande 24 et la couche 30 est polarisée dans le sens direct, de sorte que la couche d'électrode de commande 24 injecte des électrons dans la couche 30 de la façon indiquée par les flèches verticales de gauche en tirets. Ces électrons sont, collectés par la jonction 52, ce qui abaisse le potentiel de la couche principale 35 34, de sorte que les trous sont injectés dans la couche principale 34 à partir de la couche 36 de la façon indiquée par les flèches inférieures en traits pleins, à travers la jonction PN 34. Ces électrons sont collectés par la jonction 52 en dessous de l'extrémité de gauche de la partie de gauche de la couche 32, ce qui 71 13368 6 2086123 provoque le passage de trous vers l'électrode 14 et l'établissement d'un potentiel positif à l'extrémité de la couche 32 se trouvant près de la couche d'électrode de commande 24. Les électrons passent par suite de la partie de gauche de la couche 32 5 dans la couche 34 de la façon représentée par les flèches de droite en tirets et la triode devient conductrice avec l'électrode de cathode 14 négative, et l'électrode d'anode positive l'une par rapport à l'autre. Il sera maintenant supposé que l'électrode de commande 16 10 et l'électrode d'anode 20 sont toutes deux négatives par rapport à l'électrode de cathode 14. Par suite, comme le montre la figure 6, la jonction 58 entre la couche d'électrode de commande 24 et la couche 30 est polarisée dans le sens direct de sorte que des électrons sont injectés dans la couche 30 à partir de la couche 15 24. Ces électrons sont collectés par la jonction PN 52 et par suite le potentiel de la couche principale 34 est abaissé par rapport à celui de la couche 30. Des trous sont par suite injectés de la couche 30 dans la couche 34 et certains de ces trous sont collectés par la jonction PN 54 de sorte que le potentiel de la 20 couche 36 est élevé par rapport à celui de la couche 40 et que des électrons sont injectés à partir de la couche 40 dans la couche 36. Ces électrons collectés par la jonction PN 54 abaissent encoré le potentiel de la couche 34, ce qui provoque le passage d'un plus grand nombre de trous dans cette couche à partir 25 de la couche 30, Cette action régénératrice continue, et très rapidement du courant circule de l'électrode de cathode positive 14 à l'électrode d'anode relativement négative 20. L'explication ci-dessus du fonctionnement de la triode 10 s'applique à de nombreux "triacs" ayant la structure représentée, 30 qu'ils comportent ou non la fente 26. Il sera noté que quand la tension de l'anode 20 est positive par rapport à la cathode l'action de démarrage a lieu à gauche de la fente 26 suivant la figure 1 de la façon montrée en considérant les figures 4 et 5 qui sont des coupes suivant la ligne 4-4 de la figure 1, et quejquand la 35 tension de l'anode 20 est négative par rapport à l'anode 14, l'action de démarrage a lieu à droite de la fente 26 suivant la figure 1, de la façon montrée en considérant les figures 3 et 6 qui sont des coupes suivant la ligne 3-3 de la figure 1. La polarité de l'électrode de commande ne modifie pas l'emplacement de cette 71 13368 7 2086123 action de démarrage. Il sera noté que les charges emmagasinées dans la couche 34 ont un effet actif sur la conductivité de la triode. De même, pendant le fonctionnement d'une triode triac, une charge est emmagasinée dans la couche principale 34 quand 5 la triode est conductrice, la charge étant emmagasinée sur le côté de la fente 26 sur lequel la triode est démarrée et où a lieu la plus grande partie de la conduction. Il sera noté aussi que la conduction a lieu à travers la partie de la triode se trouvant sur un côté de la fente 26 pour une polarité de la ten-10 sion de l'anode et à travers la partie de la triode se trouvant de l'autre côté de la fente 26 pour une tension d'anode inverse. Par suite, si la circulation de la charge de la couche principale 34 est empêchée d'un côté à l'autre de la triode, par exemple par la fente 26, la charge emmagasinée dans la triode par l'écoule-15 ment du courant ne peut pas influer sur les caractéristiques de démarrage de la triode quand l'écoulement du courant à travers la partie de la triode se trouvant de l'autre côté de la fente a lieu dans le sens opposé. Par suite, la commutation de la triode, c'est-à-dire la commande de l'écoulement du courant de commande 20 à travers la triode décrite, des inversions de courant peuvent avoir lieu à une fréquence bien supérieure à la fréquence de commutation des triodes triacs connues jusqu'ici. Comme la triode triac décrite peut être formée de n'importe quelle façon connue, son mode de construction n'est pas décrit. 25 Bien entendu, la description qui précède n'est pas limita tive et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 71 13368 8 2086123 REVENDICATIONS 1. Commutateur triode bilatéral à grande vitesse de commutation, caractérisé par une couche d'électrode de commande, une couche de cathode et une couche d'anode, et une couche principale 5 entre la couche de cathode et la couche d'électrode de commande, une fente s'étendant dans le commutateur d'une façon et à une profondeur telles que la couche d'électrode de commande, la couche de cathode et la couche principale soient en deux parties, la fente prenant fin jusqu'au-dessus de la couche d'anode, une élec-10 trode de commande en contact au moins avec les deux parties de la couche d'électrode de commande et une électrode d'anode et une électrode de cathode, 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de la fente sont revêtues d'un isolant. 15 3. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le reste de la fente est rempli d'une matière de remplissage à l'état solides,. 4. Commutateur triode bilatéral à grande vitesse de commutation, caractérisé par un bloc de matière semi-conductrice ayant 20 une surface supérieure et une surface inférieure, une couche d'électrode de commande d'un premier type de conductivité ayant un circuit comprenant une partie de la surface supérieure du bloc, cette couche d'électrode de commande ayant une entaille arrivant à cette surface, une couche de base supérieure d'un second type 25 de conductivité sous la couche d'électrode de commande et s'étendant dans cette entaille et ayant une surface formée par une partie de la surface supérieure du bloc, une troisième couche du premier type de conductivité positionnée sur la couche de base supérieure, une surface de cette troisième couche étant formée 30 par une partie de la surface du bloc, la troisième couche ayant une ouverture à cette surface, la couche de base supérieure s'é-tendant à travers cette ouverture de la troisième couche pour former une partie sur la surface supérieure du bloc, une couche principale du premier type de conductivité sous la couche de base 35 supérieure, une couche inférieure du second type de conductivité sous la couche principale, cette couche inférieure ayant une entaille à la surface inférieure, une couche inférieure du premier type de conductivité dans cette entaille de la couche inférieure du premier type de conductivité, la surface inférieure de 71 13368 9 2086123 la couche inférieure du premier type de conductivité formant une partie de la surface inférieure du bloc, et la surface inférieure du bloc étant formée aussi par une partie de la surface inférieure de la couche inférieure du premier type de conductivité, et une 5 fente dans le bloc partant de la surface supérieure du bloc et coupant la couche d'électrode de commande, la couche de base supérieure et la couche principale en deux parties, la troisième couche étant sur un côté de la fente. 5. Commutateur selon la revendication 4, caractérisé par une 10 électrode de commande, une électrode de cathode et une électrode d'anode sur le bloc, l'électrode de commande étant en contact avec les deux parties de la couche d'électrode de commande et avec la couche de base supérieure des deux côtés de la fente, l'électrode de cathode étant en contact avec la couche de base supérieure sur 15 un côté de la fente, et avec la troisième couche et avec la couche de base supérieure de l'autre côté de la fente, et l'électrode d'anode étant en contact à la fois avec les deux couches inférieures 6. Commutateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les surfaces de la fente sont couvertes par un isolant. 20 7. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de commande est en contact avec la partie de la couche supérieure s'étendant dans l'entaille de la couche d'électrode de commande sur un côté de la fente, et l'électrode de commande est en contact avec la couche de base supérieure sur l'autre 25 côté de la fente. 8. Commutateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'électrode de cathode est en contact avec la aartie de la couche de base supérieure traversant une ouverture de la troisième couche.