Brevet FR2079196A1 — publié le 19711112

Ô3493 2079196 L'invention est relative à un module semi-conducteur capable de travailler à des niveaux de puissance élevés lorsqu'il est dans son état conducteur, limitant le courant qui le traverse lorsqu'il est dans son état non-conducteur (même s'il est soumis à une tension 5 appliquéeà ses bornes élevée) à un niveau de fuites raisonnablement bas et présentant des caractéristiques de récupération rapide. Il est bien connu dans la technique, qu'un redresseur semiconducteur est capable de limiter le courant qui le traverse à un bas niveau de fuite lorsqu'une différence de potentiel d'une polari-10 té déterminée est appliquée à ses bornes, même si cette différence de potentiel a une valeur élevée.Lorsque toutefois l'on renverse la polarité de cette différence de potentiel appliquée à ses bornes, le dispositif est capable d'être traversé facilement par des courants d'intensité élevée, avec me faible chute de tension interne seule-15 ment. Lorsque l'on renverse la poLarité de la différence de potentiel appliquée de manière à commuter le dispositif de 1'état où il est polarisé dans le sens direct, c'est-à-dire de son état conducteur, à l'état ou il est polarisé dans le sens inverse, c'est-à-dire dans son état non conducteur, le courant qui le traverse ne tombe pas 20 instantanément à la valeur correspondant au courant de fuite. Au contraire, une certaine période de temps, dite temps de récupération, est nécessaire au balayage des porteurs de charge de l'élément "semiconducteur du dispositif. Lorsqu'on veut commuter la différence de potentiel altilLo.vtée aux bornes atat redresseur semi-conducteur, avec une 25 faible përiode Ceci est obtenu habituellement en introduisant des "pièges" dans le réseau cristallin de 1'élément semi-conducteur afin de réduire la durée de vie des porteurs de charge. Pour que le dispositif supporte 30 des différences de potentiel appliquées supérieures, lorsqu'il est dans son état non conducteur, il est nécessaire d'augmenter l'épaisseur de l'élément semi-conducteur d'une manière proportionnelle, du fait que la différence de potentiel que peut arrêter, d'une manière sûre, un dispositif semi-conducteur, est.directement proportionnelle 35 à l'épaisseur de l'élément semi-conducteur disponible pour faire disparaître la couche d'appauvrissement associée à une jonction palari-sée dans le sens inverse. Malheureusement, en augmentant l'épaisseur de l'élément semi-conducteur,on augmente le nombre des porteurs qui doivent être éliminés et on augmente le temps de récupération. 40 L'expérience a montré qu'il est difficile de construire un BAD 71 034«3 2 2079196 dispositif semi-conducteur, susceptible d'être utilisé en redresseur, qui puisse résister à une tension élevée appliquée à ses bornes lorsqu'il est dans l'état non--conducteur et qui présente des temps de récupération courts lorsqu'on le fait passer de l'état conducteur 5 à l'état non conducteur. Ceci est valable aussi bien pour les redresseurs à une seule jonction que pour les thyristors. Des dispositifs proposés antérieurement, satisfaisant convenablement à ces considérations de construction, ont présenté,dans le sens direct, des chutes de tension inadmissibles. L'inconvénient de cette augmentation de 10 résistance interne est évidemment un faible courant de conduction et, dans le cas de dispositifs fonctionnant à un niveau de puissance relativement élevé, la difficulté qu'il y a à dissiper la chaleur à une vitesse-suffisante pour empêcher la détérioration du dispositif utilisé. 15 Un but de l'invention est donc de fournir un dispositif semi conducteur fonctionnant à un niveau de puissance élevé, qui présente un temps de récupération court, qui soit capable d'arrêter un courant sous une tension élevée appliquée à ses bornes, qui soit capable d'être traversé par un courant avec une faible chute de tension 20 dans le sens direct, et qui soit capable de dissiper la chaleur dégagée par les pertes de puissance internes. Un but plus particulier de l'invention est de fournir un dispositif semi-conducteur, présentant les caractéristiques précédentes-, qui soit construit sous forme de module d'une seule pièce. 25 Un autre but de l'invention est de fournir un module semi conducteur, constitué par un certain nombre d'éléments semi-conducteurs formant un thyristor, qui puisse être commuté à volonté de son état non-conducteur à son état conducteur par l'application d'un signal de commande à l'un des éléments semi-conducteurs. 30 Ces buts et d'autres buts encore de 1|invention sont obtenus, selon l'une des caractéristiques de l'invention, par la combinaison constituée par.des premiers et des seconds moyens formés par des cristaux semi-conducteurs à niveau de puissance élevé, présentant chacun une jonction redresseuse et un rapport moyen de l'étendue 35 active à l'épaisseur d'au moins 50/1. Des premiers et des seconds moyens, f ormant des bornes de bonne conductibilité thermique et électrique, sont associés, de manière à assurer une conduction électrique et thermique, à une partie étendue de la surface, constituant la surface principale des premiers et seconds moyens formés par des 40 Gristaux. Des moyens amortisseurs thermiques, présentant une capaBAD ORIGtNAL 71 03493 3 2079196 cité calorifique supérieure à celle des moyens formés par des cristaux semi-conducteurs, en vue d'absorber la chaleur produite par à-coups, sont interposés entre les moyens formés par des cristaux et sont électriquement montés en série avec eux, ces moyens amor-5 tisseurs thermiques étant associés, de manière à assurer une conduction électrique et thermique, au reste de la partie étendue de la surface, constituant la surface principale de chacun des premiers et seconds moyens formés par des cristaux. Des moyens servant d'enveloppe protectrice sont hermétiquement scellés aux premiers et se-10 conds moyens formant des bornes et entourent périphériquement les moyens formés par des cristaux semi-conducteurs pour les protéger et pour réunir les moyens formant des bornes, les moyens formés par des cristaux et les moyens servant d'enveloppe, pour constituer un module d'une seule pièce. 15 Selon uib autre caractéristique, l'invention a pour objet la combinaison constituée par des premiers et des seconds moyens semiconducteurs formant un thyristor. Des premiers et des seconds moyens formant des bornes sont associés , de manière à assurer une conduction électrique, respectivement à une partie cathodique de surface 20 émettrice des premiers moyens formant un thyristor et à une partie anodique de surface émettrice des seconds moyens formant un thyristor. Des moyens sont associés, de manière à assurer une conduction électrique, avec une partie de surface anodique des premiers moyens formant un thyristor et avec une partie de surface cathodique des 25 seconds moyens formant un thyristor. Des moyens servant d'enveloppe protectrice sont scellés aux premiers et aux seconds moyens formant des bornes et entourent périphériquement les moyens semi-conducteurs formant des thyristors pour les protéger et pour réunir les moyens formant des bornes, les moyens formant des thyristors et les moyens 30 servant d'enveloppe, pour constituer un module d'une seule pièce. Des moyens fournis par une électrode de commande sont prévus pour commuter l'un des moyens formant un thyristor de son état où. il arrête le courant dans le sens direct à son état où il laisse passer le courant dans le sens direct,pour permettre à la tension appliquée 35 aux bornes d'être appliquée directement aux bornes de l'autre des moyens formant un thyristor, pour commander l'avalanche de celui-ci. L'invention est expliquée plus en détail ci-dessous à l'aide de modes de réalisation illustratifs, mais nullement limitatifs, en se référant aux dessins annexés dans lesquels: 40 - la figure 1 est une coupe verticale d'un module semi-con- 71 034°3 4 2079196 ductéur construit conformément à l'invention; - la figure 2 est une coupe verticale d'un second module semiconducteur construit conformément à 1'invention; - la figure 3 est une vue en coupe détaillée d'une partie du 5 module semi-conducteur de la figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe détaillée du module semiconducteur de la figure 2, perpendiculairement au plan de coupe de la figure 2, et - la figure 5 enfin est une vue en plan d'une partie du modu-10 le semi-conducteur de la figure 2. Dans chacune de ces figures l'épaisseur des éléments, semi-conducteurs a été exagérée pour la facilité de l'illustration et on ne les a pas représentés en coupe pour ne pas compliquer le dessin. Sur les figures 2 et 4, les emplacements des jonctions n'ont pas été 15 représentées, du fait que cette particularité est mieux représentée sur la figure 3. Sur la figure 1 est représenté un module semi-conducteur 100 qui comporte deux éléments semi-conducteurs 102 et 104, qui peuvent être construits de manière identique. Chacun de ces éléments semi-20 conducteurs a été représenté formé d'une-zone.supérieure 106 d'un premier type de conductibilité et d'une zone inférieure 108 du type de conductibilité contraire, dont l'ensemble forme une jonction redresseuse 110 située entre ces deux zones. Chacun des éléments semi-conducteurs est muni d'une partie de surface supérieure plane 25 112 et d'une partie de surface inférieure plane 114, à peu près parallèles. Une surface périphérique annulaire 116 de chaque élément semi-conducteur relie les surfaces principales planes opposées.Comme il va de soi dans la technique, la surface périphérique peut être biseautée dans un sens ou dans l'autre pour étaler le gradient de 30 champ électrique au niveau de la jonction. A cet égard on se reportera à l'article "Control of Electric Field at the Surface of P-ÎJ-junctions" publié par Davies et Gentry, dans IEEE Transactions on Electron Devices - juillet 1964» page 113. Les éléments semi-conducteurs peuvent être réalisés en n'importe quel matériau monocris— 35 tallin semi-conducteur, mais pour la plupart des applications les éléments sont réalisés en silicium par suite de sa très grande stabilité thermique. Sous la forme où ils ont été représentés, l'épaisseur de ces éléments, comprise entre leurs surfaces principales opposées, est exagérée si on la compare à leur étendue mesurée parallè-40 lement à leurs surfaces principales. Pour la plupart de leurs appli- BAD ORIGINAL- 71 034°3 5 2.079196 cations à niveaux de puissance élevés, les éléments semi-conducteurs présenteront un rapport de leur étendue à leur diamètre au moins égal à 50/1. Par exemple, tandis que dans des applications classiques dans des redresseurs de puissance l'épaisseur des éléments semi-5 conducteurs ne dépassera pas 0,51 mm et est en général inférieure à 0,25 mm, l'étendue de ces éléments peut être de l'ordre de 12,7 à 50,8 mm ou davantage. Bien que les éléments semi-conducteurs, pour des raisons de simplicité, ont été représentés avec une seule jonction redresseuse, il y a lieu de remarquer que ces éléments semi-con-10 ducteurs peuvent comporter un plus grand nombre de jonctions. Par exemple les éléments semi-conducteurs 102 et 104 peuvent être formés par quatre ou cinq couches d'éléments constituant des thyristors agencés pour une commutation par effet d'avalanche. Il n'est pas non plus nécessaire que les éléments semi-conducteurs soient réalisés 15 sous forme identique, ainsi qu'on la représenté sur les figures. Les éléments semi-conducteurs sont électriquement reliés en série par un amortisseur thermique 118 placé entre la partie principale 114 de la surface de l'âément semi-conducteur 102 et la partie principale 112 de la surface de l'élément semi-conducteur 104. L'a-20 mortisseur thermique est constitué par un disque de métal 120 qui est intimement associé, thermiquement et électriquement, avec les parties de surface immédiatement voisines des éléments semi-conducteurs, par l'intermédiaire de contacts 122. En vue de fournir un chemin continu de conduction électrique et thermique, à basse impé-25 dance, entre la partie principale 112 de la surface de l'élément semi-conducteur 102 et la partie principale 114 de la surface de l'élément semi-conducteur 104 et les éléments servant de bornes 124 et 126, des contacts 128 sont prévus entre ces parties principales de surface et les éléments servant de bornes. Le disque de métal est 30 dimensiormé de manière à présenter une capacité thermique supérieure à celles des éléments semi-conducteurs. Dans un mode de réalisation préférentiel ce disque de métal est réalisé en un métal réfractaire tel que le tungstène ou le molybdène, de manière à transmettre aux éléments semi-conducteurs un minimum de contraintes mécaniques d'o-35 rigine thermique résultant de différences des coefficients de dilatation thermiques du disque et des éléments semi-conducteurs. Bien que les contacts 122 et 128 ont été représentés sous forme de couches métalliques d'une seule pièce, ils peuvent être constitués par une ou plusieurs couches et peuvent être de n'importe quel type dqfcons-40 truction classique. Le choix de formes spéciales de contacts sort du BAC ORIG'NA 71. 03493 6 2,079196 cadre de l'invention,, Lorsque les éléments servant de bornes et/ou le disque de métal sont réalisés en un métal tel que du cuivre, du laiton ou de 11 aluminium, les contacts 128 et/ou 122 peuvent comporter des plaques dorsales réalisées en un métal réfractaire de la 5 même manière que le mode de réalisation préférentiel du disque de métal, en vue de réduire au minimum les contraintes mécaniques d'origine thermique se produisant dans les éléments semi-conducteurs . Il y a lieu de remarquer que les éléments servant de bornes sont munis chacun d'une partie en forme de socle 130 avoisisinant 10 immédiatement les contacts 128. Ces contacts, ces parties en forme de socles et l'amortisseur thermique sont disposés suivant un alignement vertical, leur étendue superficielle correspondante sous-tendant la plus grande partie (ou presque la totalité) des parties principales 112 et 114 de la surface des éléments semi-conducteurs. Les élé-15 ments servant de bornes sont muais chacun de parties de surface 132 s'étendant vers l'extérieur, qui sont dans leur ensemble parallèles aux surfaces de socles associées aux contacts et sont légèrement plus étendues. Chacune des parties extérieures de la surface des éléments servant de bornes a été représentée munie d'un évidement 20 d'alignement 134. Dans le mode de réalisation représenté, les bords des éléments semi-conducteurs s'étendant latéralement au-delà des contacts, les parties servant de socles et le disque de métal sont encastrés dans ion élément annulaire 136. Cet élément annulaire est réalisé en un 25 matériau passivant la jonction, présentant une résistance d'isolement et une rigidité diélectrique relativement importantes, et en grande partie imperméable aux contaminants de la jonction. Il est préférable d'utiliser des passivants présentant une rigidité diélectrique d'au moins 39.500 Volts/cm et une résistance d'isolement 30 d*au moins 10^ Yolts-cm. Un certain nombre de types de caoutchoucs siliconés disponibles sur le marché satisfont à ces caractéristiques électriqueSo Bien que l'utilisation d'un matériau passivant souple pour constituer 1'élément annulaire soit particulièrement avantageuse, comme on le décrit plus en détail ci-dessous, tout matériau 35 passivant classique peut être associé aux surfaces périphériques 116 des éléments semi-cond .cteurs. Par exemple un verre.passivant peut être associé aux surf:.ces périphériques et un caoutchouc sili-coné peut être moulé par dessus pour servir de passivant supplémentaire. Il y a lieu de remarquer que, dans une variante légèrement 40 différente, 1'élément annulaire peut être réalisé de manière à être 71 03493 7 2079196 scellé aux éléments servant de bornes, de sorte qu'aucune enveloppe protectrice supplémentaire n'est nécessaire pour former un module complet'. Dans une variante où une enveloppe hermétiquement scellée coopère avec les éléments servant de bornes, on peut se passer com-5 plètement de tout matériau passivant. L'élément servant de borne 124 est fixé et scellé à une collerette annulaire 138 présentant une partie annulaire périphérique 140 destinée à former une partie supérieure de boîtier. L'élément servant de borne 126 est fixé et scellé à une collerette annulaire 10 142 qui à son tour est fixée, dans la région de son pourtour extérieur, à une bague isolante 144. Cette bague isolante est munie de proéminences annulaires 146 destinés à augmenter la longueur de sa surface latérale, entre ses extrémités opposées^ Une collerette de sertissage 148 est scellée à l'extrémité opposée de la bague isolan-15 te. L'élément servant de borne 126, la collerette annulaire 142, la bague isolante 144 et la collerette de sertissage 148 forment la partie inférieure du boîtier du module semi-conducteur. Les deux parties de boîtier forment ensemble une enveloppe entourant les éléments semi-conducteurs. Dans un mode de réalisation préférentiel, 20 cette enveloppe entoure hermétiquement les éléments semi-conducteurs. Comme on peut le voir, l'élément annulaire coopère avec la surface intérieure de la bague isolante pour fixer la position des éléments semi-conducteurs par rapport aux socles des éléments servant de bor-25 nés. L'élément annulaire, qui est élastique dans son mode de réalisation préférentiel, protège les éléments semi-conducteurs de tout choc mécanique qui serait transmis mécaniquement. Cette élasticité présente aussi l'avantage que des tolérances exactes ne sont pas indispensables entre les parties servant de socles et la surface intérieure de la bague isolante. Les parties supérieure et inférieure 30 du boîtier sont formées de telle manière que, lorsque la collerette de sertissage 148 et la partie annulaire périphérique 140 sont soudées l'uneà l'autre lors de l'assemblage du module, les éléments servant de bornes appliquent une légère force de compression sur les éléments semi-conducteurs. 35 Pour mettre en service le module semi-conducteur, un amortis seur thermique extérieur est associé aux parties de surface extérieures des éléments servant de bornes 124 et 126. De plus, une compression est appliquée aux éléments servant de bornes par l'intermédiaire des amortisseurs thermiques pour réduire l'impédance 40 thermique entre chaque élément semi-conducteur et l'élément servant 71 03493 2079196 de borne associé. Les amortisseurs thermiques extérieurs sont normalement associés à la totalité des parties de surface extérieures 132 des éléments servant de bornes, tandis que les contacts 128 sont associés à la totalité des surfaces des parties servant de socles 130 5 des éléments servant de bornes. Chaque contact 128 est également associé avec la majeure partie de l'une des parties principales de la surface de l'élément semi-conducteur immédiatement voisin. Il en résulte qu'on forme ainsi un chemin de conduction à basse impédance de chacun des éléments semi-conducteurs à l'amortisseur thermique 10 extérieur avoisinant. Il est important de refroidir l'élément semiconducteur sur une grande surface, du fait que, pour les applications à niveau de puissance élevé où le rapport de l'étendue à l'épaisseur est relativement élevé, c'est-à-dire supérieur à 50/1, les surfaces périphériques 116 sont si faibles, en comparaison des sur-15 faces principales, qu'elles sont incapables de dissiper une fraction importante de la chaleur produite par le passage du courant à travers les éléments semi-conducteurs. Il n'a pas été, jusqu'à présent, considéré comme possible de placer deux éléments semi-conducteurs de puissance à l'intérieur d'une enveloppe protectrice unique, l'in-20 vention permet de le faire en munissant chacun des éléments semiconducteurs d'un chemin de conduction à basse impédance pour dissiper la chaleur qui s'y produit. Le module semi-conducteur est également supérieurement protégé contre les chocs de courant dépassant la densité maximale admis-25 sible de courant dans le solide du fait de la capacité calorifique du disque de métal associé aux parties de la surface principale des éléments semi-conducteurs, à l'opposé des éléments servant de bornes. Sans la présence de cet amortisseur thermique intérieur, les parties de la surface principale des éléments semi-conducteurs qui 30 sont éloignées des éléments servant de bornes pourraient facilement être surchargées thermiquement par les chocs de courant, du fait que la chaleur ne pourrait être transportée, à travers toute l'épaisseur des éléments semi-conducteurs, à la vitesse requise. Avec l'amortisseur thermique, la chaleur en excès peut être dissipée à partir de 35 ces parties de surface et y être emmagasinée. Après que le choc de courant a été dissipé, la chaleur emmagasinéedans le disque de métal peut alors être évacuée lentement, à travers les éléments semi-conducteurs, en direction des amortisseurs thermiques extérieurs jusqu'à ce que le disque de métal atteigne un niveau de température voisin de 40 celui des surfaces associées des éléments semi-conducteurs. En consé *" 71 03493 9 2079196 quence, dans les conditions'normales de'conduction du solide semiconducteur, il n'y a pas d'écoulement appréciable de chaleur vers l'amortisseur thermique intérieur. A peu près la totalité de la chaleur engendrée dans le module semi-conducteur traverse les éléments 5 servant de bornes et est collectée par les amortisseurs thermiques extérieurs. C'est -uniquement lorsqu'il se produit un choc de courant qui fait monter la température des éléments semi-conducteurs d'une manière quasi-instantanée que l'amortisseur thermique intérieur devient le siège d'une accumulation de chaleur. Un choc de courant 10 ne fait pas monter la température de l'amortisseur thermique intérieur dans la même proportion que les éléments semi-conducteurs, bien que le même courant soit transmis du fait que la résistance de l'amortisseur thermique intérieur est notablement inférieure à celle des éléments semi-conducteurs. Il y a lieu de souligner 15 que, pour l'utilisation du module dans des circuits où d'autres protections sont prévues contre les chocs de courant, on peut se passer de l'amortisseur thermique intérieur, bien qu'il soit encore nécessaire pour assurer un contact à basse impédance thermique et électrique entre les éléments semi-conducteurs. 20 Eu é^ard aux trois caractéristiques dynamiques de fonctionne ment : faible chute de tension dans le sens direct, aptitude à supporter des tensions inverses élevées,et briéveté du temps de récupa-ration, on a observé que le module semi-conducteur conforme à l'invention présente des caractéristiques dynamiques supérieures à celles 25 de tout dispositif semi-conducteur , autrement comparable, contenant un élément semi-conducteur unique. En d'autres termes, lorsqu'un dispositif semi-conducteur à cristal unique de construction classique est formé avec deux des trois paramè ,res dynamiques de fonctionnement précités correspondant à ceux du module semi-conducteur 30 conforme à l'invention, le dispositif conforme à l'invention présente un avantage supplémentaire relativement au paramètre restant. Ce fait doit être considéré comme me découverte nouvelle et inattendue. En outre, il n'y a pas d'inconvénients de fonctionnement venant s'opposer aux avantages du module semi-conducteur conforme à l'in-35 vention qui peut être considéré comme représentant un mode de construction supérieur d'un redresseur à semi-conducteur. On a découvert également,d'une manière assez inattendue,que la solution conduisant au module semi-conducteur conforme à l'invention est entièrement applicable à des thyristors redresseurs 40 commandés par une électrode d'amorçage, les figures 2 à 5 inclusibad original 71 03493 10 2079196 vement montrent, à titre d'exemple préférentiel cLe réalisation, un module semi-conducteur 200, formant un thyristor commandé par une électrode d'amorçage. Du fait que tous les avanta-es de fonctionnement décrits en se référant au module semi-conducteur 100 peuvent 5 être obtenus avec le module semi-conducteur formant un thyristor 200, on ne décrira en détail que les seules caractéristiques supplémentaires de ce module semi-conducteur formant un thyristor. le module semi-conducteur 200 a été représenté muni d'éléments semi-conducteurs de thyristors 300 et 400, contenus à l'intérieur 10 d'un enveloppe. En se reportant à la figure 3, on voit que l'élément semi-conducteur 300 est muni d'une première partie principale de surface 302 et par une seconde partie principale de surface 304, à peu près parallèle à la précédente. L'élément semi-conducteur 300 est constitué de quatre zones, disposées à la suite l'une de l'autr^ 15 de types- de conductibilité alternés, formant une succession de zones ou de couches de types de conductibilité PIPI. Dans le mode de réalisation préférentiel représenté sur les dessins, la première zone 306 est divisée latéralement en une zone annulaire auxiliaire 306a et en une zone annulaire principale concentrique 306b disposée 20 à une certaine distance à l'extérieur de la précédente. La seconde zone 308 sépare la première zone de la troisième zone 310 et est constituée par une partie centrale 308 A située à l'intérieur de la zone auxiliaire de la première zone, et par une partie auxiliaire 308b disposée en-dessous de la zone auxiliaire de la première zone, 25 par une partie d'espacement 308_ç située latéralement entre les zones principale et auxiliaire de la première zone, et par une partie périphérique 308 E située latéralement à 1'extérieur de la première zone. Une quatrième zone 312 est disposée entre la troisième zone et la seconde partie principale de surface. La première zone forme 30 avec la seconde zone une jonction émettrice auxiliaire 314 au voisinage immédiat de la zone auxiliaire de la première zone et une jonction émettrice principale 316 au voisinage immédiat de la zone principale de la première zone. Une seconde jonction émettrice principale 318 est formée entre la troisième et la quatrième zones. Une 35 jonction collectrice,320_est formée entre la seconde et la troisième zones. Une surface périphérique faiblement biseautée 3^2 coupe l'arête périphérique de la fonction collectrice et étale le gradient superficiel de champ qui peut lui être associé lorsque la jonction est polarisée dans le sens inverse (sens direct de l'é-40 lément semi-conducteur 300). Une seconde surface périphérique biseautée 324 coupe l'arête périphérique de la seconde jonction émettrice bad original 71 03493 pour étaler de même le gradient de champ le long de cette jonction. Il y a lieu de remarquer qu'on peut prévoir une surface biseautée unique pour traverser les deux jonctions, si on le désire. L'utilisation de deux surfaces périphériques s'est révélée avantageuse afin 5 d'améliorer les caractéristiques agissant sur la tension de polarisation inverse des secondes jonctions émettrice et collectrice, tout en n'entraînant qu'une surface latérale minimale occupée par le biseautage sur l'élément semi-conducteur. L'élément semi-conducteur de thyristor 400 est muni d'une 10 première partie principale de surface 402 et d'une seconde partie principale de surface 404 à peu près parallèle à la première. L'élément semi-conducteur 400 est constitué par quatre zones, disposées à la suite, de types de conductibilités alternées pour former une succession de zones ou de couches de types de conductibilités suc-15 .cessifs P N P F. Les quatre zones sont constituées par une première zone émettrice 406 située au voisinage immédiat de la première partie principale de surface, par une seconde zone 408, par une troisième zone 410 et par une quatrième zone 412 située au voisinage immédiat de la seconde partie principale de surface. Une première 20 jonction émettrice 414 est formée entre la première et la seconde zone$ une jonction collectrice 416 est formée entre la seconde et la troisième zones et une seconde jonction émettrice 418 est formée entre la troisième et la quatrième zonei Une première surface périphérique biseautée 420 traverse les premières jonctions émettrice 25 et collectrice, tandis qu'une seconde surface périphérique biseautée traverse la seconde jonction émettrice. Les surfaces périphériques biseautées étalenUe gradient de champ superficiel produit lorsque les jonctions sont polarisées dans le sens inverse. Une surface périphérique biseautée unique peut être substituée aux deux surfa-30 ces périphériques biseautées qui ont été représentées sur les figures, En variant, on peut prévoir trois surfaces périphériques biseautées, chacune coupant l'une des trois jonctions. Les éléments semi-conducteurs sont reliés électriquement en série par un amortisseur thermique 202 disposé entre les parties 35 principales de surface 304 et 402 des éléments semi-conducteurs 300 et 400, L'amortisseur thermique 202 peut être identique à l'amortisseur thermique 118 et assure essentiellement la même fonction. Une plaque dorsale 204 est associée à la partie principale de surface 404 de l'élément semi-conducteur 400 avec interposition d'un contact 40 206. Un second contact 208 est associé à la partie principale infé- ,2079196 C';ï 71 03493 12 2079196 rieure de surface dè la plaque dorsale. A la partie principale de surface 302 de l'élément semi-conducteur 300 est associé un contact principal d'émetteur 210 qui recouvre la zone émettrice principale 306b de la première zone émettrice et qui s'étend, latéralement à 5 1'extérieur au-delà de la première zone émettrice pour entrer en contact avec la partie périphérique 308E de la seconde zone 308 et pour court-circuiter l'arête extérieure de la jonction émettrice principale 316. Un contact auxiliaire 212 recouvre la zone auxiliaire 306 A de la première couche émettrice et s'étend latéralement 10 vers l'extérieur pour recouvrir la partie espacée 308C de la seconde zone.Le contact 212 court-circuite' l'arête extérieure de la jonction émettrice auxiliaire 314, mais est latéralement espacé de l'arête intérieure de la jonction émettrice principale 316.Une plaque dorsale annulaire 214 recouvre le contact 210 et un contact 216 re-15 couvre à son tour la plaque dorsale annulaire. Les plaques dorsales sont de préférence réalisées en un métal réfractaire, tel que du tungstène ou du moybdène. Les contacts 206, 208, 210, 212, 214 et 216 peuvent être de construction classique et peuvent être composés d'une ou de plusieurs couches. 20 Ainsi qu'on le voit mieux sur la figure 2, l'amortisseur ther mique 202 et les éléments semi-conducteurs formant un thyristor sont supportés par un élément servant de borne 218 présfflrtantixne partie annulaire servant de socle 220 associée à la plaque dorsale 204 avec interposition du contact 208. L'élément servant de borne 218 est 25 fixé et scellé à une collerette annulaire 222 qui, à son tour,est fixée,au voisinage immédiat de sa périphérie extérieure, à une bague isolante 224. La bague isolante est munie de proéminences annulaires 226 pour augmenter la distance, suivant sa surface latérale, séparant ses extrémités opposées. Une collerette de sertissage 228 est 30 scellée à l'extrémité opposée de la bague isolante. Cette bague i-solante est munie d'une borne de commande 230 adaptée et scellée * Cette borne de commande est munie d'un évidement d'extrémité fermé 232 ouvrant à l'intérieur de la bague isolante. L'élément servant de borne 218, la collerette annulaire 222, la bague isolante 224 et 35 la collerette de sertissage 228 constituent une partie inférieure de carter du module semi-conducteur. Un ressort élastique 234 assure une connexion électrique à basse impédance entre la partie centrale dé la seconde zone de l'élément semi-conducteur 300 et la borne de commande. Ce ressort 40 est muni d'une première partie 236 qui s'étend verticalement vers bad original 71 03493 13 2079196 le haut à partir de la partie centrale et porte par son extrémité inférieure contre la partie centrale. Une seconde partie 238 s'étend latéralement de la première partie à la borne de commande. Une troisième partie 240 s'étend verticalement vers le haut de la secondé 5 partie jusqu'à la hauteur de 1'évidement et une quatrième partie 242 est engagée à l'intérieur de 1'évidement. Sous la forme représentée sur le dessin, les première, seconde, troisième et quatrième parties du ressort sont formées simplement par incurvation d'une bande continue de métal élastique. Bien que la quatrième partie du ressort soit 10 représentée comme à peu près parallèle à la seconde partie, lorsque le ressort est enlevé de 1'évidement, la quatrième partie forme un angle aigu avec la seconde partie, compris d'une manière caractéristique entre 15 et 45°. Au cours de la mise en place du ressort, la surface inférieure de 1'évidement porte, vers le haut, sur 1'ex-15 trémité extérieure du ressort tandis que la surface supérieure de l'é-videment porte, vers le bas, sur la partie intérieure de la quatrième partie. Pour le montage du ressort, ses première, seconde et troisième parties sont pliées par rapport à la quatrième partie, de manière que l'extrémité inférieure de la première partie soit conti-20 nuellement poussée vers le bas sur la surface de la partie centrale de la seconde zone pour assurer une connexion à basse impédance. Il y a lieu de noter que l'intensité de la force de compression avec laquelle le ressort s'appuie sur la partie centrale précitée est déterminée uniquement par le ressort. 25 Dans un mode de réalisation du module semi-conducteur 200, la plaquette dorsale 214 n'est pas directement liée à la partie principale de surface 302 de l'élément semi-conducteur 300'# Pour placer cette plaquette dorsale annulaire concentriquement par rapport à la première partie du ressort, il est prévu, un dispositif 30 de centrage 244 présentant une ouverture 246. La première partie du ressort s'engage à l'intérieur de l'ouverture tandis que l'arête extérieure du dispositif de centrage coopère avec le bord intérieur de la plaquette dorsale annulaire. Pour passiver les bords des éléments semi-conducteurs, aussi bien que pour fixer latéralement la 35 position de ces éléments par rapport à l'élément servant de borne 218 à l'emplacement où. la plaquette dorsale 204 n'est pas liée à cet élément servant de borne et/ou à l'élément semi-conducteur 400, il est prévu un élément annulaire 248 réalisé en un passivant analogue à l'élément annulaire 136. L'élément annulaire 248 est de for-40 me et de fonction semblables, dans l'ensemble,àcelles de l'élément BAD ORIGINAL 2079196 annulaire 136, à cette exception près que l'élément annulaire 248 centre les éléments semi-conducteurs par rapport à l'élément servant de "borne 218, au lieu que ce soit la bague isolante qui assure ce centrage. Ceci élimine toute nécessité de tolérances strictes entre 5 la bague isolante et l'élément servant de borne 218. TJn second élément servant de borne 250 est prévu, muni d'une partie servant de socle 252 présentant -une surface étendue qui recouvre et coopère avec la plaquette dorsale annulaire par l'intermédiaire du contact 216. Pour permettre au ressort d'accéder à la 10 partie centrale de l'élément semi-conducteur 300, le second élément servant de borne est muni d'une fente 254 à l'intérieur de laquelle est logée une garniture isolante 256 destinée à empêcher tout contact électrique entre le ressort et l'élément servant de borne. Le second élément servant de borne est fixé et scellé à une collerette 15 annulaire 258 présentant une partie périphérique annulaire 260. L'ensemble du second élément servant de borne et de la collerette annulaire forme une partie supérieure du boîtier. Les parties supérieure et inférieure du boîtier constituent une enveloppe entourant l'élément semi-conducteur qui, à 1'exception de la borne de commande 230, 20 est dans son ensemble analogue au boîtier du module semi-conducteur 100. L'expérience a montré, d'une manière assez inattendue, qu'un module formant un thyristor, du genre du module semi-conducteur 200, réalisé conformément à l'invention, est capable de combiner les a-25 vantages dynamiques antérieurement soulignés à propos du module semiconducteur 100 et les caractéristiques d'amorçage par une simple électrode d'un thyristor à élément semi-conducteur unique. Par exemple avec le module semi-conducteur, constituant un thyristor 200, monté avec une certaine compression entre des amortisseurs thermi-30 ques extérieurs 262 et 264, représentés schématiquement, sur la figure 2, l'élément servant de borne 218 peut servir d'anode et l'élément servant de borne 250 peut servir de cathode, lorsque les zones 306, 310, 406 et 410 sont du type de conductibilité N" et les autres zones du type de conductibilité P. En l'absence de signal 35 d'amorçage le module constituant un thyristor est capable d'arrêter un courant tendant à le traverser dans l'un et l'autre sens, jusqu'à un niveau correspondant à "la somme des tensions maximales pouvant être arrêtées dans le sens direct ou à la somme des tensions inverses de pointe des éléments semi-conducteurs 300 et 400. Lorsque l'é-40 lément servant de borne 218 est polarisé positivement par rapport 71 03493 BAD ORIGINAL 71 03493 15 2079196 à l'élément servant de borne 250, c'est-à-dire lorsque le module est polarisé dans le sens direct et que la borne de commande 230 est polarisée positivement par rapport à l'élément servant de borne 250, le module constituant un thyristor peut, très rapidement, être com-5 muté pour être amené à son état conducteur. 1'enclenchement de l'élément semi-conducteur 300 est accéléré par la mise en oeuvre de la zone auxiliaire 306A et du contact auxiliaire 212 qui ont pour effet que la partie centrale de l'élément semi-conducteur 300 agit à la manière d'un thyristor auxiliaire intégré amplifiant le signal d'a-10 morçage original et étalant rapidement la zone d'enclenchement de l'élément semi-conducteur 300. En appliquant une forte tension de polarisation, dans le sens direct, au dispositif et en commutant l'élément semi-conducteur 300 pour l'amener à son état conducteur, la totalité de la tension aux bornes, c'est-à-dire la tension à blo-15 quer, doit être bloquée par l'élément semi-conducteur 400» Une fois que la différence de potentiel aux bornes de l'élément semi-conducteur 400 atteint une valeur supérieure à la tension maximale de blocage dans le sens direct, cependant, cet élément sera amorcé et amené à l'état conducteur par effet d'avalanche et un courant se 20 trouvera établi à travers le module constituant tin thyristor, à travers les éléments semi-conducteurs. Du fait que l'élément semiconducteur 400 doit être amorcé par effet d'avalanche, il est'nécessaire de prévoir le matériau passivant et/ou le biseautage en vue d'empêcher la détérioration par surcharge de la jonction. lia diffé-25 rence de potentiel à laquelle serait soumise la jonction collectrice lors de la détérioration de sa surface, détériorerait évidemment sérieusement l'élément semi-conducteur 400. Bien que le module constituant un thyristor ait été décrit en se référant plus particulièrement au mode de réalisation 200, il y a 30 lieu de remarquer que le spécialiste peut y apporter un grand nombre de modifications sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, au lieu d'utiliser un boîtier de module du type décrit et représenté ici, on peut lui substituer tout boîtier classique, servant de capsule protectrice aux éléments semi-conducteurs 300 et 400. Lorsque 35 le boîtier est hermétiquement scellé, on peut se passer de l'élément • annulaire 248 de matériau passivant, si on le désire. Lorsque le matériau passivant est le verre, on peut se passer de biseauter les éléments semi-conducteurs, du fait que le verre est à lui seul capable d'étaler d'une manière appréciable le champ superficiel, quoi-40 que dans une mesure moindre, que le biseautage associé au verre. Av1'ÎJJf»C ''V '• BAD ORIŒ'NM. 71 03493 2079196 Dans les applications à des circuits où. des chocs de courant ont peu de chances de se produire ou sont protégés autrement, on peut se passer de 1'amortisseur thermique intérieur 202. Au lieu d'utiliser des éléments semi-conducteurs de thyristor de forme circulaire à 5 électrode de commande centrale, on peut utiliser toute autre forme ou tout autre emplacement d'électrode d'amorçage. Par exemple, pour obtenir la rapidité maximale de commutation, la périphérie extérieure de la partie auxiliaire 306A peut être augmentée, d'une manière bien connue, en y prévoyant des indentations. A cet égarâ/on se reportera 10 à l'article "High Erequency Capabilities of New Power Thyristor" de Davies publié par The American Institute of Chemicals Engineers page 987, du rapport de la 4ème conférence intersociétaire d'Ingénieurs s'occupant de conversion d'énergie, tenue du 22 au 26 septembre 1968 à Washington, lorsqu'on désire des temps de commutation ra-15 pides mais de vitesse inférieure à la vitesse maximale, on peut se passer de l'ensemble de la zone auxiliaire de la première zone et du contact auxiliaire. Bien que l'invention soit d'une application particulièrement avantageuse avec des éléments semi-conducteurs à niveau de puissance élevé présentant un rapport de leur étendue à 20 leur épaisseur d'au moins 50/1, il y a lieu de remarquer que l'invention, au moins dans son application aux modules constituant des thyristors, peut être appliquée tout aussi bien à des applications à faible puissance lorsque le rapport de l'étendue à l'épaisseur est moins élevé et que les exigences de dissipation thermique sont moins 25 strictei, Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle 30 en embrasse, au contraire,toutes les variantes. BAD QRldMNAk 71 03493 17 2079.196 REVENDICATIONS 1. Module semi-conducteur capable de travailler à des niveaux de puissance élevés lorjsqxfil est dans son état conducteur, limitant le courant qui le traverse, lorsqu'il est dans son état non conduc- 5 teur (même s'il est soumis à une tension appliquée à ses bornes é-levée) à un niveau de fuites raisonnablement bas et présentant des caractéristiques de récupération rapide, lequel module semi-conducteur est caractérisé par la combinaison : - de premiers et seconds moyens formés par des cristaux semi-con- 10 ducteurs à niveau de puissance élevé, présentant chacun une jonction redresseuse et un rapport moyen de leur étendue active à leur épaisseur d'au moins 50/1, - de premiers et seconds moyens foirmant des bornes de bonne conductibilité thermique et électrique, associés de manière à assurer 15 une conduction électrique et thermique, respectivement à une partie étendue de la surface constituant la surface principale des premiers et des seconds moyens formés par des cristaux, - de moyens amortisseurs thermiques, présentant une capacité calorifique supérieure à celle des moyens formés par des cristaux semi- 20 conducteurs, en vue d'absorber la chaleur produite par à-coups, interposés entre les moyens formés par des cristaux et électriquement montés en série avec eux, ces moyens amortisseurs thermiques étant associés de manière à assurer une conduction électrique et thermique au reste de la partie étendue de la surface, constitu- 25 ant la surface principale de chacun des premiers et seconds moyens formés par des cristaux, et - de moyens servant d'enveloppe protectrice, hermétiquement scellés aux premiers et seconds moyens formant des bornes et entourant périphériquement les moyens formés par des cristaux semi- 30 conducteurs, pour les protéger et pour réunir les moyens formant des bornes, les moyens formés par des cristaux et les moyens servant d'enveloppe, pour constituer un module d'une seule pièce. 2. Module semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens amortisseurs thermiques,destinés à ab- 35 sorber la chaleur produite par à-coups, comportent un disque de métal réfractaire. 3.Module semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens, associés périphériquement aux moyens formés par des cristaux semi-conducteurs, pour 40 passiver leurs arêtes périphériques coupées par les jonctions re- BAD ORK3*N/ 71 03493 18 2079196 dresseuses. 4. Module semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens formés par des cristaux semi-conducteurs sont biseautés périphériquement, pour étaler le gradient de champ 5 au voisinage immédiat des arêtes périphériques des moyens formés par des cristaux semi-conducteurs coupées par les jonctions redresseuses. 5. Module semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des moyens servant de bornes comporte des 10 moyens constitués par une surface extérieure de transfert thermique destinée à être associée à un amortisseur thermique, appliqué contre cette surface avec une certaine compression, disposé à l'extérieur du module en une seule pièce et pouvant en être séparé. 6. Module semi-conducteur capable de travailler à des niveaux 15 de puissance élevés lorsqu'il est dans son état conducteur, limitant le courant qui le traverse lorsqu'il est dans son état non conducteur (même s'il est soumis à une tension appliquée à ses bornes élevées) à un niveau de fuites raisonnablement bas et présentant des caractéristiques de récupération rapide, lequel module 20 semi-conducteur est caractérisé par la combinaison : - de premiers et seconds moyens semi-conducteurs formant un thyristor, à niveau de puissance élevé^présentant un rapport moyen de leur étendue à leur épaisseur d'au moins 50/1, - de premiers et seconds moyens formant des bornes de bonne conduc-25 tibilité thermique et électrique, associés, de manière à assurer une conduction électrique et thermique, respectivement à une partie cathodique de la surface émettrice étendue des premiers moyens formant un thyristor et à une partie anodique de surface émettrice des seconds moyens formant un thyristor, 30 - de moyens amortisseurs thermiques, présentant une capacité calorifique supérieure à celle des moyens semi-conducteurs formant un thyristor, en vue d'absorber la chaleur produite par à-coups, interposés entre les moyens formant un thyristor et électriquement montés en série avec eux, ces moyens amortisseurs thermiques étant 35 associés de manière à assurer une conduction électrique et thermique à une partie cathodique de la surface principale étendue des premiers moyens formant un thyristor et une surface anodique principale étendue de ces premiers moyens formant un thyristor et une surface cathodique principale étendue de ces seconds moyens formant 40 un thyristor, et bad original / 71 03493 19 2079196 - de moyens servant d'enveloppe protectrice, hermétiquement scellés aux premiers et seconds moyens formant des bornes et entourant périphériquement les moyens semi-conducteurs formant un thyristor pour les protéger et pour réunir les moyens formant des bornes, 5 les moyens formant un thyristor et les moyens servant d'enveloppe pour constituer un module d'une seule pièce. 7. Module semi-conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de commande d'amorçage pour commuter les uns des moyens formant un thyristor de leur 10 état non conducteur dans le sens direct à leur état conducteur dans le sens direct, afin de permettre à la tension appliquée aux bornes d'être appliquée directement aux bornes des autres moyens formant un thyristor pour commander leur effet d'avalanche. 8. Module semi-conducteur selon la revendication 6, caracté- 15 risé en ce que les moyens amortisseurs thermiques, destinés à absorber la chaleur produite par à-coups, comportent vin disque en métal réfractaire. 9. Module semi-conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens associés périphéri- 20 quement aux moyens semi-conducteurs formant un thyristor pour pas-siver leurs arêtes périphériques coupées par des jonctions redresseuses. 10. Module semi-conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens semi-conducteurs formant un thyristor 25 sont biseautés périphériquement pour étaler le gradient de champ au voisinage immédiat de leurs arêtes périphériques coupées par des jonctions redresseuses. 11. Module semi-conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chacun des moyens formant des bornes comporte des 30 moyens constitués par une surface extérieure de transfert thermique destinée à être associée à un amortisseur thermique appliqué contre cette surface avec une certaine compression, disposé à l'extérieur du module en une seule pièce et pouvant en être séparé. 12. Module semi-conducteur capable de travailler à des niveaux 35 de puissance élevés lorsqu'il est dans son état conducteur, limitant le courant qui le traverse, lorsqu'il est dans son état non conducteur (même s'il est soumis à une tension appliquée à ses bornes élevée) à un niveau de fuites raisonnablement bas et présentant des caractéristiques de récupération rapide, lequel module 40 semi-conducteur est caractérisé par la combinaison : i/ VK t 71 03493 20 2079196 - de premiers et seconds moyens semi-conducteurs formant un thyristor, - de premiers et seconds moyens formant des bornes associées, de manière à assurer une conduction électrique, respectivement à une 5 partie cathodique de la surface ânettrice des premiers moyens formant un thyristor et à une partie anodique de la surface émettrice des seconds moyens formant un thyristor, - de moyens associés, de manière à assurer une conduction électrique, à une partie de surface anodique des premiers moyens for- 10 mant un thyristor et à line partie de surface cathodique des seconds moyens formant un thyristor, - de moyens servant d'enveloppe protectrice hermétiquement scellés aux premiers et aux seconds moyens formant des bornes et entourant périphériquement les moyens semi-conducteurs formant un thyristor 15 pour les protéger et pour réunir les moyens formant des bornes, les moyens formant un thyristor et les moyens servant d'enveloppe pour constituer un module d'une seule pièce, et - de moyens de commande d'amorçage pour commuter, les tins des moyens formant un thyristor de leur état non conducteur dans le sens di- 20 rect à leur état conducteur dans le sens direct, afin de permettre à la tension appliquée aux bornes d'être appliquée directement aux bornes des autres moyens formant un thyristor pour commander leur effet d'avalanche. 13. Module semi-conducteur selon la revendication 12, carac-25 térisé en ce qu'il comporte en outre des moyens associés périphériquement aux moyens semi-conducteurs formant vin thyristor pour passiver leurs arêtes périphériques coupées par des jonctions redresseuses. 14. Module semi-conducteur selon la revendication 12, carac-30 térisé en ce que les moyens semi—conducteurs formant un thyristor sont biseautés périphériquement pour étaler leur gradient de champ au voisinage immédiat de leurs arêtes périphériques coupées par des jonctions redresseuses. 15.Module semi-conducteur selon la revendication 12, carac-35 térisé en ce que les moyens formant un thyristor associés aux moyens de commande d'amorçage sont munis de moyens intégrés d'amplification de signal, destinés à accélérer leur commutation. BAD ORIGINAL