Brevet FR2128134A1 — publié le 19721020

L'invention concerne un redresseur commandé ou contrôlé à semi-conducteur doté de caractéristiques d'amorçage améliorées. Le redresseur commandé à semi-conducteur est typiquement formé par une plaquette ou pastille de silicium monocristalline comme élément actif. On donne au cristal de silicium la forme de quatre couches successives, les couches adjacentes étant de types de conductivité opposés de façon telle que des jonctions P-N se trouvent établies entre elles. Les couches les plus extremes sont associées à des contacts respectivement anodique et cathodique permettant de faire passer le courant principal et sont dénommées couches émettrices, tandis que les couches intermédiaires sont dénommées couches de base.La couche émettrice ae type N est ohmiquement associée au contact cathodique et est amenée à injecter des électrons dans la couche de base adjacente pour permettre une conduction du courant entre les contacts opposés quand le contact anodique est polarisé positivement par rapport au contact cathodique et quandon applique un signal de porte ou de commande. Quand le contact anodique est polarisé négativement par rapport au contact- cathodique ou lorsqu'on n'applique pas de signal de zommande, le cristal de silicium, dans des conditions ordinaires d'utilisation, constitue à l'égard du courant qui doit le traverser un parcours de grande impédance en raison de la polarisation inverse des jonctions. On a observé qu'une source commune de défaillance des redresseurs commandés à semi-conducteur est attribuable à l'amorçage ponctuel de la couche émettrice en réponse à un signal de commande. Autrement dit, il peut arriver qu'une zone d'étendue très limitée de l'émetteur, au voisinage immédiat de la porte ou gâchette associée à la couche de base, soit amorcée. Si la zone initiale d'amorçage ne subit pas rapidement une extension latérale, un rapide accroissement de l'intensité de courant à partir du contact anodique vers le contact cathodique, tel qu'il en intervient typiquement un lors de l'amorçage, peut produire une densité de courant excessive susceptible de provoquer une surchauffe localisée du cristal de silicium et une défaillance du dispositif.On pense qu'un amorçage ponctuel se produit parce qu'un point ou une petite zone de la jonction émettrice, une fois polarisé au-dessus de son potentiel de conduction minimal, peut conduire le signal de commande jusqu'à la couche émettrice si facilement à travers la portion de jonction amorcée qu'une différence de potentiel ne se développe pas aux bornes des portions restantes de la jonction émettrice en plus du potentiel de conduction de façon à permettre un amorçage complet. Un amorçage ponctuel tend à être particulièrement gênant quand on n'utilise qu'un faible signal de commande pour amorcer le redresseur commandé à semi-conducteur. I1 s'établit aussi lorsqu'une portion de la jonction émettrice se trouve placée plus près de la connexion de porte que les portions restantes de la jonction.Toutefois, même lorsqu'on s'efforce d'espacer aussi uniformément que possible le bord de la jonction émettrice par rapport à la porte, une certaine portion de a jonction émettrice reste toujours capable de s'amorcer de préférence à d'autres portions en raison de petites différences d'espacement, de géométrie, de résistivité, etc. Un but de l'invention est donc de réaliser un redresseur commandé à semi-conducteur possédant des caractéristiques d'amor çage uniforme améliorées, même lorsqu'on utilise un faible signal de commande. Selon un mode de réalisation, l'invention a pour objet un redresseur commandé à semi-conducteur possédant des caractéristiques telles qu'il puisse mieux répartir latéralement un signal de commande, ce redresseur comportant un élément semi-conducteur formé de quatre couches d'un premier type de conductivité et du type de conductivité opposé. Entre les couches sont intercalées des couches adjacentes d'un type de conductivité opposé et formant plusieurs jonctions P-N. Les couches comportent une première couche, la plus extrême, constituant une première couche émettrice, tandis que la première couche intermédiaire avoisinant immédiatement la précédente forme une première couche de base. La première couche émettrice comporte un segment principal et un segment ballast de porte qui en est latéralement espacé.Le segment principal forme une jonction émettrice principale avec la première couche de base, et le segment ballast de porte forme une jonction ballast avec la première couche de base. La première couche de base comporte une zone principale située sous le segment principal, une zone ballast située sous le segment ballast de porte, une zone intermédiaire située entre le segment principal et le segment ballast de porte, et une zone éloignée séparée de la zone intermédiaire par le segment ballast de porte. Les couches comprennent une deuxième couche la plus extrême constituant une deuxième couche émettrice. Un premier et deuxième con tacts principaux sont respectivement associés au segment principal et à la deuxième couche émettrice. Des moyens.de commande (du type porte) sont associés à la zone éloignée et court-circuitent un bord de la jonction ballast se trouvant à proximité.Le bord court-circuité de la jonction ballast est pratiquement uniformément espacé de la jonction principale, et le segment de ballast de porte est de section transversale sensiblement uniforme et rétrécit d'une manière sensiblement uniforme la zone ballast sousjacente. Les figures 1 et 2 sont des coupes schématiques d'éléments semi-conducteurs de redresseurs commandés ou contrôlés auxquels sont associés des contacts de porte ou de gâchette et des contacts principaux. La figure 1 représente un mode de réalisation de redresseur à porte ou gâchette centrale, doté des perfectionnements selon l'invention, tandis que la figure 2 représente un mode de réalisation de redresseur à porte ou gâchette annulaire, également doté des perfecticnnements selon l'invention. On a évité de hachurer les éléments semi-conducteurs représentés encoure pour ne pas rendre le dessin difficile à examiner. L'épaisseur des éléments semi-conducteurs est fortement exagérée par rapport à leur largeur afin de permettre d'en représenter plus clairement les particularités. L'invention peut être mieux comprise en considérant le dessin ci-annexé conjointement avec la description détaillée suivante. On a représenté sur la figure 1 un élément semi-conducteur 100 qui peut être d silicium monocristallin ou toute autre substance semi-conductrice monocristalline classique connue comme étant utilisable pour constituer des redresseurs commandés à semi-conducteur. L'élément semi-conducteur comporte une première surface principale 102 et une deuxième surface principale opposée 104. L'élément semi-conducteur est formé par quatre couches successivement disposées 106, 108, 110 et 112 s'étendant à partir de la première surface principale jusqu'à la deuxième surface principale. Les couches 106 et 110 sont d'un premier type de conductivité, tandis que les couches 108 et 112 sont d'un type de conductivité opposé, de sorte que plusieurs jonctions P-N se trouvent constituées entre elles. Une jonction émettrice 114 est formée entre la couche émettrice inférieure la plus extrême 112 et la couche de base 110 adjacente à cette couche 112. Une jonc tion de base 116 est formée entre les couches de base 110 et 108. La couche émettrice 106 adjacente à la première surface principale est divisée en un segment principal annulaire 118 et un segment ballast annulaire 120 de porte, placé concentriquement, latéralement et vers l'intérieur par rapport au susdit segment principal 118. La première couche de base forme une jonction émettrice principale 122 avec le segment émetteur principal et une jonction ballast 124 avec le segment ballast de porte. La première couche de base comporte une zone principale 126 située sous le segment principal. Une zone ballast 128 se trouve située sous le segment ballast de porte. Une zone intermédiaire 130 est disposée entre le segment principal et la zone principale sur son bord extérieur, et entre le segment de ballast de porte et la zone ballast sur son bord intérieur. Une zone éloignée 132 est située intérieurement par rapport à la jonction ballast.Ainsi qu'on peut le voir facilement, des zones adjacentes de la première couche de base sont réunies en une seule pièce. Une particularité essentielle de l'invention réside dans le fait que la zone ballast de porte est de section transversale sensiblement uniforme et que le bord intérieur de la jonction ballast est sensiblement uniformément espacé du bord intérieur de la jonction émettrice principale. Par suite de cette relation mutuelle, la portion de la première couche de base resserrée en largeur par le segment ballast de porte, autrement dit la zone ballast, est uniformément resserrée et est de section transversale sensiblement uniforme. Similairement, la zone intermédiaire est de section transversale sensiblement uniforme dans la totalité de son étendue. L'expression "sensiblement uniforme" telle qu'on l'utilise ici doit être comprise comme signifiant le degré d'uniformité techniquement réalisable facilement par mise en oeuvre de modes opératoires de fabrication connus; il convient en effet de reconnaitre que la réalisation d'une uniformité absolue des segments et zones est pratiquement impossible. Autrement dit, l'expression "sensiblement uniforme" telle qu'on l'utilise ici indique l'absence d'irrégularités introduites intentionnellement. C'est effectivement une particularité essentielle de l'invention que de minimes variations d'uniformité, telles qu'on en rencontre même dans les dispositifs élaborés par mise en oeuvre des techniques de fabrication les plus précises, n'empêchent pas d'obtenir les avantages de l'invention. Un premier contact principal 134recouvre le segment principal et se trouve en relation de conductivité ohmique avec lui. Un deuxième contact principal 136 est en rapport d'une manière similaire avec la couche émettrice 112. Des moyens de commande ou de porte comportant une métallisation de porte 138 et un conducteur de porte 140 sont placés dans une position centrale par rapport à la première surface principale. La métallisation de porte recouvre la zone éloignée et le bord intérieur du segment ballast de porte court-circuitant le bord intérieur de la jonction ballast. Bien que les contacts et la métallisation de porte soient représentées sous la forme de simples couches, il ne faut pas perdre de vue qu'ils peuvent être formés d'une ou de plusieurs couches selon la pratique classique. Un corps diélectrique 142 est représenté recouvrant et protégeant la portion de la première surface principale s'étendant entre le conducteur de porte et le bord intérieur du premier contact principal. La fabrication de la combinaison représentée sur la figure 1 est facilement réalisable par mise en oeuvre de techniques clas situes. Selon une technique de fabrication typique, l'élément semi-conducteur 100 peut initialement être formé d'un type de conductivité correspondant à celui de la couche de base 110 La couche de base 108 et la couche émettrice 112 peuvent ensuite être formées par diffusion simultanée ou successive d'une impureté du type de conductivité opposé. La couche émettrice 106 peut ensuite être formée par alliage ou masquage de la première surface principale et en y faisant diffuser une impureté. En raison du haut degré de précision avec lequel les jonctions peuvent être situées en les formant par diffusion, on considère comme préférable que le segment ballast de porte soit formé par diffusion.Par exemple, la précision avec laquelle la section transversale de la zone ballast peut être resserrée en formant le segment ballast de porte par diffusion excède de beaucoup le degré de précision avec lequel on peut former le segment ballast de porte par alliage ou, au lieu de former un segment ballast de porte, par- simple attaque à partir de la première surface principale afin de resserrer la largeur de la zone ballast. Bien que l'on préfère resserrer la zone ballast entièrement par diffusion, on ne perd pas de vue qu'il peut être avantageux de commencer par attaquer la première surface principale, et de former ensuite le segment ballast de porte par diffusion.Dans la forme de redresseur commandé à semiconducteur la plus fréquemment utilisée, la couche de base 110 et la couche émettrice 106 sont de conductivité de type N, tandis que la couche de base 108 et la couche émettrice 112 ont une conductivité du type P. Par conséquent, la description suivante se réfère à cette forme de redresseur commandé à semi-conducteur; il ne faut cependant pas perdre de vue que les types de conductivité des couches peuvent être inversés sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. Lorsque le milieu ambiant dans lequel se trouve placé le redresseur commandé à semi-conducteur est spécialement contrôlé pour éliminer l'humidité et d'autres impuretés, la combinaison représentée sur la figure 1 est utilisable telle quelle pour constituer un redresseur commandé à semi-conducteur. Dans la plupart des applications où l'on se sert d'un tel dispositif, toutefois, il peut être nécessaire de prévoir un boîtier ou un revê- tement protecteur de conception classique afin d'assurer une durée de service pratiquement acceptable au redresseur commandé à semi-conducteur.La combinaison représentée peut, par exemple, être enveloppée dans un passivant, tel qu'un verre et/ou une matière plastique, ou peut être montée dans un boîtier hermétiquement clos; ce sont là des techniques bien connues des spécialis teso Le choix du boîtier ou revêtement ne constitue pas une partie de l'invention. En cours d'utilisation, lorsque la couche émettrice 106 a une conductivité de type N et quand le premier contact principal 134 est polarisé positivement par rapport au deuxième contact principal 136, la jonction émettrice 114 est polarisée en sens inverse et il ne passe aucun courant appréciable à travers l'élé- ment semi-conducteur entre les contacts principaux. Dans un tel cas, le redresseur commandé à semi-conducteur est polarisé en sens inverse et reste non-conducteur. Quand le premier contact principal est polarisé négativement par rapport au deuxième contact principal et lorsqu'aucun signal de commande n'est appliqué, la jonction de base 116 est polarisée en sens inverse et, dans ce cas encore, aucun courant appréciable ne passe à travers l'élément semi-conducteur entre les contacts principaux. Dans ce cas, lorsque le conducteur de porte 140 est polarisé positivement par rapport au premier contact principal, un signal de commande se trouve conduit à partir de la métallisation de porte (ou de commande) à travers la zone éloignée 132 de la première couche de base 108, latéralement audessous de la zone ballast de porte 120 à travers la zone ballast resserrée 128, et latéralement à travers la zone intermédiaire 130 vers le bord intérieur du segment principal 118 de la couche émettrice jusqu'au premier contact principal.Ceci provoque une injection d'électrons à partir du bord intérieur du segment principal jusque dans le bord intérieur de la zone principale 126, de sorte qu'une conduction se trouve amorcée à partir du deuxième contact principal jusqu'au premier contact principal le long du bord intérieur du segment principal. La conduction s'étale rapidement latéralement de manière à amorcer la totalité du segment principal du dispositif.Il convient de noter que la métallisation de porte court-circuite le bord intérieur de la jonction ballast 124 et empêche une injection de charge à partir du segment de ballast de porte de la couche émettrice, le segment de ballast de porte restant donc constamment passif Si le segment ballast de porte 120 était omis de la combinaison de la figure 1, il apparaît facilement qu'un courant dans le sens porte vers cathode tendant à amorcer le dispositif serait conduit à travers la première couche de base latéralement jusqu' au bord intérieur du segment principal à la première surface ou près de la première surface principale 102, étant donné qu'il s'agit ici du plus court parcours de conduction disponible à travers la première couche de base et étant donné que, lorsque la première couche de base est formée par diffusion, la portion de la première couche de base se trouvant dans le voisinage immédiat de la première surface principale est de la plus basse résistivité té. Avec un tel parcours de basse résistivité disponible pour le signal de commande, il est bien facile de comprendre que, si par inadvertance quelque point placé sur le bord intérieur du segment principal se trouvait dans une position plus proche du bord de la métallisation de porte que les portions restantes (ou était de quelque autre manière plus facilement amorçable), ce point aurait tendance à recevoir sélectivement et préférentiellement le signal de commande. Ce phénomène peut intervenir parce que le potentiel de conduction dans le sens conducteur nécessaire pour qu'un courant puisse pénétrer dans la jonction principale 122 serait atteint en premier lieu en ce point.En outre, une fois la conduction établie en ce point, le parcours de faible résistance entre ce point et le bord extérieur de la métallisation de porte ne permettrait pas l'établissement d'un potentiel additionnel, aux bornes des portions restantes de la jonction principale, d'une valeur suffisante pour établir un potentiel de conduction dans le sens conducteur à travers ces portions de la jonction, bien qu'un notable élargissement du point initial d'amorçage puisse intervenir. Il en résulte qu'un amorçage ponctuel peut facilement intervenir en l'absence d'un fort signal de commande. Par interposition du segment ballast de porte entre le bord extérieur de la métallisation de porte et le bord intérieur du segment principal, on oblige le courant du signal de commande à suivre par dessous un parcours contourné. Ainsi, le segment ballast de porte oppose au courant de signal une résistance additionnelle en série avec le bord intérieur de la jonction principale. Cette résistance est sensiblement uniformément répartie latéralement sous forme de la section transversale resserrée de la zone ballast. D'autre part, le parcours du courant de signal est dévié, à partir de la portion supérieure de basse résistivité de la première couche de base, vers la portion centrale dont la résistivité est relativement plus grande. Ceci contribue encore à accroître la résistance en série opposée au passage du courant. Si on suppose donc, de nouveau, qu'une notable portion du bord intérieur du segment principal est formée,par inadvertance, plus près de la métallisation de porte, il existe, dans ce cas, une tendance minimale à l'établissement d'un amorçage ponctuel. Même si un point situé sur le bord intérieur du segment principal peut être en premier le siège d'un amorçage, la résistance additionnelle s'opposant au passage du courant du signal de commande créée par suite de l'interposition du segment bal-last de porte restreint le passage d'un tel courant de signal préférentiel à travers le point amorcé de la jonction principale, de sorte que le potentiel de conduction dans le sens conducteur pour le reste de la jonction principale ne peut pas être atteint. Autrement dit,bien qu'un certain point situé sur le bord intérieur du segment principal puisse encore être initialement commuté instantanément et ainsi amorcé, ceci n'empêchera pratiquement pas l'amor çage de s'étaler uniformément sur la totalité du bord intérieur du segment principal.Par conséquent, la localisation préférentielle du signal de commande à travers une zone ponctuelle (ou tout au moins une zone limitée), initialement amorcée, du segment principal de la couche émettrice ne peut pas intervenir, et on évite ainsi l'établissement de densités de courant excessives et une défaillance du dispositif Au contraire, le signal de commande se trouve réparti plus uniformément jusqu'au bord intérieur du segment principal, et il en résulte un amorçage plus sûr et plus uniforme du redresseur commandé à semi-conducteur, même si on utilise des signaux de commande plus faibles Bien que l'on ait décrit lrinvention en se référant à un redresseur commandé à semi-conducteur comportant une porte située dans une position centrale, il convient de ne pas perdre de vue que d'autres configurations classiques de redresseurs commandés à semi-conducteur peuvent être facilement modifiées de manière à les perfectionner par mise en oeuvre de l'invention Par exemple, on a représenté sur la figure 2 un redresseur commandé à semiconducteur qui comporte une porte ou gâchette annulaire Ce redresseur comporte essentiellement un élément-semi-conductear 200 ayant une première surface principale 202 et une deuxième surface principale 204. L'élément semi-conducteur est muni d'une première couche émettrice 206 la plus extrême, d'une première couche de base 208 adjacente, d'une deuxième couche de base 210, et d'une deuxième couche émettrice 212 la plus extrême.Les quatre couches agencées en succession sont de types de conductivité alternés, de sorte qu'une jonction émettrice 214 se trouve formée entre la deuxième couche émettrice 212 et la couche de base 210, tandis qu'une jonction de base 216 se trouve formée entre les couches de base La première couche émettrice est divisée en un segment principal central 218 et un segment ballast de porte annulaire 220. Une jonction principale 222 est formée entre le segment principal et la couche de base 208, cependant qu'une jonction ballast 224 se trouve formée entre le segment ballast et la couche de base 208. La couche de base 208 est formée d'une zone principale 226 située sous le segment principal, une zone ballast annulaire se trouvant située sous le segment ballast, une zone intermédiaire 230 s'étendant entre la zone principale et la zone ballast, et une zone éloignée 232 étant séparée de la zone intermédiaire par la zone ballast. Les diverses zones de la première couche de base sont formées d'une seule pièce. Un premier contact principal 234 recouvre le segment principal, cependant qu'un deuxième contact principal 236 recouvre la deuxième couche émettrice. Une zone annulaire 238 de métallisation de porte est associée d'une manière ohmiquement conductrice à la zone éloignée de la première couche de base, et le bord adjacent du segment ballast de porte court-circuite effectivement le bord extérieur de la jonction ballast. Un conducteur 240 de porte est représenté connecté à la porte ou gâchette annulaire. A l'exception des différences géométriques sus-spécifiées, la combinaison représentée sur la figure 2 est réalisable en opérant presque de la même manière que pour constituer la combinaison à porte ou gâchette centrale décrite ci-dessus en se référant à la figure 1. L'utilisation et les avantages de la deuxième combinaison, savoir celle de la figure 2, sont aussi à peu près analogues à ceux du mode de réalisation représenté sur la figure 1. La principale différence réside dans le fait que, au lieu de se répartir radialement vers l'extérieur d'une manière sensiblement uniforme (figure 1), le signal de commande se trouve transmis radialement vers l'intérieur d'une manière sensiblement uniforme à partir de l'anneau associé au conducteur de porte (figure 2). Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation, de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Redresseur commandé ou contrôlé à semi-conducteur, assurant une meilleure répartition latérale des signaux de commande, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison : un élément semi-conducteur constitué par quatre couches d'un premier type de conductivité et du type de conductivité opposé, lesdites couches étant alternées de façon telle que des couches adjacentes soient de types de conductivité opposés et qu'elles forment plusieurs jonctions P-N, lesdites couches comprenant une première couche la plus extrême formant une première couche émettrice et une premier re couche intermédiaire adjacente placée immédiatement après la susdite première couche émettrice et formant une première couche de base; ladite première couche émettrice comportant un segment principal et un segment ballast de porte latéralement espacés l'un de l'autre; ledit segment principal formant une jonction émettrice principale avec ladite première couche de base, et ledit segment ballast de porte formant une jonction ballast avec ladite première couche de base; ladite première couche de base comportant une zone principale s'étendant sous ledit segment principal, une zone ballast s'étendant sous ledit segment ballast de porte, une zone intermédiaire s'interposant entre ledit segment principal et ledit segment ballast de porte, et une zone éloignée séparée de la susdite zone intermédiaire par ledit segment ballast de porte; lesdites couches comprenant une deuxième couche la plus extrême constituant une deuxième couche émettrice; des premier et deuxième contacts principaux respectivement associés audit segment principal et à ladite deuxième couche émettrice; des moyens du type porte ou gâchette associés à ladite zone éloignée et court-circuitant un bord de ladite jonction ballast qui y est adjacente; ledit bord court-circuité de la susdite jonction ballast étant sensiblement uniformément espacé de ladite jonction principale; et ladite zone ballast étant sensiblement uniforme en coupe transversale. 2. Redresseur commandé à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit segment ballast de porte est une couche diffusée. 3. Redresseur commandé à semi-conducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens du type porte sont situés centralement par rapport audit élément semi-conducteur, et ledit segment ballast de porte est de configuration annulaire. 4 Redresseur commandé à semi-conducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens du type porte comprennent une porte annulaire, et ledit segment ballast de porte est annulaire et entoure ledit segment principal 5 Redresseur commandé à semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première couche de base est d'une résistivité graduelle, la valeur de sa résistivité étant minimum dans le voisinage immédiat de ladite première surface principale.