Brevet FR2120042A1 — publié le 19720811

i 2120042 L'invention se rapporte d'une façon générale à des perfectionnements apportés aux dispositifs semi-conducteurs à effet de champ et elle concerne, plus particulièrement, un dispositif semi-conducteur à effet de champ destiné à servir en qualité de commutateur 5 à l'état solide ayant une capacité élevée de passage de courant, xme tension de claquage élevée et un fonctionnement stable, dispositif dont les caractéristiques de résistance négative peuvent être réglées par un champ électrique. De façon usuelle, ai a utilisé des thyristors à effet de champ 10 comme dispositifs semi-conducteurs dont la résistance électrique peut être réglée par un champ électrique. Cependant les thyristors usuels présentent un inconvénient, savoir qu'ils ne peuvent pas posséder simultanément xme forte capacité de courant et une tension de claquage élevée. 15 Un but de l'invention est de réaliser un dispositif semi-con ducteur à effet de champ dont les caractéristiques de résistance négative sont réglables par un champ électrique, ce dispositif ayant une forte capacité de passage de courant, une tension de claquage élevée et une bonne stabilité de fonctionnement. 20 Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif semi conducteur a effet de champ, qui comprend : un corps semi-conducteur d'un premier type de conductivité présentant deux surfaces principales ; line première et une seconde régions de l'autre type de conductivité formées dans une surface de ce coips ; une troisième région 25 de ladite autre conductivité formée dans l'autre surface qui est opposée à la première surface ; une quatrième région de la première conductivé formée dans ladite seconde région ; une couche isolante formée sur ladite première surface au moins entre les premières et seconde régions ; et des électrodes formées sur lesdites première, 30 troisième et quatrième régions et sur la couche isolante entre lesdites prenâère et seconde régions. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va être faite ci-après en se référant aux dessins annexés, sur lesquels. : 35 Les figures 1 et 2 sont des coupes transversales schématiques de dispositifs semi-conducteurs à effet de champ selon la technique antérieure. La figure 3 est une coupe transversale schématique d'un mode de réalisation du dispositif semi-conducteur à effet de champ selon 40 l'invention. 71 46851 2 2120042 La figure 4 est un schéma de circuit équivalent du dispositif représenté sur la figure 3. La figure 5 représente les courbes caractéristiques courant-tension dx dispositif selon la figure 3. 5 La figure 6 représente une courbe caractéristique tension résistance (Kg) du dispositif de la figure 3. La figure 7 est une courbe caractéristique tension-courant du dispositif de la figure 3 lorsque la résistance (Bg) est nulle. La figure 8 est une courbe caractéristique tension (Vg)-ten-10 sion (Va) du dispositif selon la figure 3. û La figure 9, enfin, est une coupe transversale d'un autre mode de réalisation d'un dispositif semi-conducteur à effet de champ selon 1'invention. Tout d'abord, on a représenté sur les figures 1 et 2 des thy-15 ristors usuels. Sur la figure 1, un thyristor à effet de champ et à trois bornes comprend un corps semi-conducteur 1 du type N, des régions 2 et 3 du type P séparées l'une de l'autre et formées sur le corps semi-conducteur 1 du type JS, une région 4 du type N formée sur la région 3 du type P, une couche isolante 5 et des élec-20 trodes 6, 7 et 8 formées respectivement sur la région 2 du type P, la région 4 du type N et la couche isolante 5 entre les régions 2 et 3. Ces électrodes 6, 7, 8 servent respectivement d'anode, de cathode et d'électrode de commande ou porte. Sur la figure 2 un thyristor à effet de champ du type à quatre 25 bornes comprend un corps semi-conducteur 9 du type H, des régions 10 et 11 du type P, une région 12 du type N, une couche isolante 13 et des électrodes 14, 15 et 16, la structure étant similaire à celle de la figure 1. Cependant, le thyristor représenté à la figure 2 comprend une électrode supplémentaire 17 qui est formée sur l'autre 30 surface du corps semi-conducteur 1. Les quatre électrodes 14, 15» 16 et 17 sont respectivement l'anode, la cathode, une première é-lectrode de commande et une seconde électrode de commande. Le thyristor selon la figure 2 peut avoir une capacité de courant beaucoup plus élevée que celle du thyristor de la figure 1 mais il 35 ne peut pas présenter une tension de claquage de sens inverse d'une valeur très élevée. L'invention permet justement de supprimer cet inconvénient et un mode de réalisation de celle-ci est représenté sur la figure 3. Comme on peut le voir sur ce dessin, le dispositif semi-conducteur 40 à effet de ehaœtp qui fait l'objet de l'invention comprend : un 71 46851 3 2120042 corps semi-conducteur 18 du type N, des régions 19 et 20 du type P, une autre région 21 du type H, une couche isolante 22, des électrodes 23, 24, 25 et 26 et une autre région 27 du type P entre le corps 18 et l'électrode 26, la particularité de ce mode de réalisation é-5 tant la présence de cette région 27 du type P, ce qui distingue le dispositif de celui de la figure 2. On va maintenant décrire les caractéristiques et les principes du dispositif semi-conducteur selon l'invention, en se référant pour cela au circuit représenté, à titre d'exemple, sur la figure 4. Les 10 références numériques et les symboles qui apparaissent sur la figure 4 correspondent à ceux de la figure 3. Les bornes A, K et G- sont respectivement les bornes de l'anode, de la cathode et de l'électrode de commande. Une résistance de charge Rj. est connectée entre l'électrode 23 et la borne d'aiode A et une résistance Rg est connectée 15 entre les électrodes 23 et 26. Les caractéristiques courant-tension entre les électrode 23 et 24 sont représentées sur la figure 5. Initialement (7 = 0), le circuit est à l'état de coupure. Lors de l'augmentation de la tension V, le circuit est commuté à un état de conduction à une tension 7g. Quand la tension V est abaissée, le cir-20 cuit passe encore une fois de 1'état de conduction à 1'état de coupure en revenant à la tension VR. La valeur Vfî change selon la valeur de Rg. Quand Rg est faible (comme sur la figure 6), les valeurs de V„ et V^, se rapprochent l'une de l'autre. Plus précisément quand S il Rg diminue, VR augmente. 25 Sur la figure 7 on a représenté la caractéristique courant-ten- sion entre les électrodes 23 et 24 dans 1'état de Rg = 0, c'est-à- dire lorsque les électrodes 23 et 26 sont en court-circuit. Avec le dispositif de la figure 3» on peut obtenir une caractéristique de résistance négative lorsque l'électrode 23 devient positive. Sur la 30 figure 7, VgQ représente la tension de commutation en l'absence d' une tension de commande. Alors qu'une tension négative est appliquée à l'électrode de commande, la tension de commutation diminue à V™ oX f r , v00> comme on le voit sur la figure 7. La tension de commuta-S2 bj tion augmente évidement si l'on applique une tension positive à 1' 35 électrode de commande. La façon dont cette augmentation à lieu est indiquée sur la figure 8 sous forme du rapport entre la tension de commutation Vg et la tension de commande V&. De plus, sur la figure 7, Vg représente la tension de claquage de sens inverse, une particularité de l'invention étant la possibilité d'établir une valeur 40 V-d élevée. Dans les dispositifs usuels du type représenté sur la -D 71 46851 4 2120042 figure 2, la valeur de V-g est au maximum de 100 volts, alors que dans le dispositif selon l'invention, on peut élever la valeur de Vg presque jusqu'à 1000 volts. Il en est ainsi du fait que la tension de claquage de sens inverse, est supportée par les deux jonc-5 tions P-N, par exemple les jonctions entre les régions H et P 18 et 27 et entre les régions Jï et P 21 et 20, dans le cas du montage représenté sur la figure 3» Bien que, dans la description qui vient d' être faite, on ait indiqué les types de conductivité des différentes régions pour faciliter la compréhension de 1'invention,-il est évi-10 dent qu'aucun changement n'interviendra si les types de conductivité sont inversés. D'autre part la base d'établissement cCune caractéristique de résistance négative est formée par la fonction thyristor d'une structure usuelle à quatre couches P-N-P-N. On peut également établir une structure fl-P-N-P-JS ou P-N-P-N-P, 15 comme on peut le voir sur la figure 9. ïïn tel dispositif fonctionne à la façon d'un élément de commutation bi-directionnel. Le dispositif semi-conducteur qui est représenté sur la figure 9 comprend un corps semi-conducteur 28 du type N, des régions 29» 30 et 31 du type P qui sont formées séparément dans le corps 28, des régions 32 et 33 20 du type N formées dans les régions 29 et 30 du type P, une couche i-solante 34 formée sur une surface et des électrodes 35, 36, 37 et 38 formées respectivement sur les régions 32,33, la couche isolante 34 et la région 31» Les électrodes 37 et 38 jouent le rôle d'une première et d'une seconde électrodes de commande. La matrice du semi-25 conducteur est formée avec des matériaux connus, comme Ge, Si, GaAs, SiC, GaP, InAS, etc. On va maintenant décrire plus concrètement un autre mode de réalisation de l'invention. Tout d'abord, on prépare un élément tel que représenté sur la figure 3 par la technique connue de diffusion 30 d'impuretés, en utilisant du silicium du type N. La pellicule isolante 22 est alors formée en Si02» On prépare un circuit du type représenté sur la figure 4 pour coopérer avec cet élément. Après avoir réglé Rg à 0 dans le circuit, on mesure la caractéristique courant-tension et ensuite les caractéristiques de la résistance négative de 35 la façon indiquée sur la figure 7. Dans ce cas, étant donné que Rc= D 0, les valeurs de Vg et Vg sont identiques. La valeur de Vg change en fonction de la distance entre les régions 19 et 20 du type P et de la résistivité spécifique du corps semi-conducteur 18 du type N et cette valeur couvre un intervalle d'environ 20 à 800 volts. Les 40 tensions de claquage en sens inverse atteignent 1000 volts, ce qui 71 46851 5 2120042 constitue une grande amélioration par rapport aux dispositifs connus. D'autre part, le courant réglable couvre un intervalle important allant de quelques dizaines de milliampères à plusieurs dizaines d'ampères, l'étendue de cet intervalle étant également l'une 5 des caractéristiques nouvelles de l'invention. Comme il ressort de la description qui vient d'être faite, a-vec un semi-conducteur à effet de champ selon l'invention, on peut régler la conduction et la coupure de courants dans l'intervalle compris entre quelques dizaines de milliampères et plusieurs dizai-10 nés d'ampères, uniquement à l'aide de la tension sur l'électrode de commande et on peut également atteindre une tension de claquage en sens inverse de près de 1000 volts. On voit donc que l'invention offre un intérêt industriel évident pour la fabrication de commutateur de courant. 71 46851 6 2120042 KEVENDICATIONS 1. Dispositif semi-conducteur à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend un corps semi-conducteur d'un premier type de conductivité présentant deux surfaces principales ; une première et une seconde régions de l'autre type de conductivité formées dans 5 une surface de corps ; une troisième région de ladite autre conductivité formée dans 1'autre surface qui est opposée à la première surface ; une quatrième région de la première conductivité formée dans ladite seconde région ; une couche isolante formée sur ladite première surface au moins entre les première et seconde régions ; 10 et des électrodes formées sur lesdites première, troisième et quatrième régions et sur la couche isolante entre lesdites première et seconde régions. 2. Dispositif semi-conducteur à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend : un corps semi-conducteur d'un premier type de 15 conductivité et présentant deux surfaces principales ; une première et une seconde régions du type de conductivité opposé formées dans la première surface ; une troisième région du second type de conductivité formée dans l'autre surface ; une quatrième et une cinquième régions du premier type de conductivité formées dans lesdites 20 première et seconde régions ; une couche isolante formée sur la première surface principale au moins entre lesdites première et seconde régions ; et des électrodes formées sur lesdites troisième, quatrième et cinquième régions et sur ladite couche isolante entre la première et la seconde région» •