Brevet FR2110299A1 — publié le 19720602

La présente invention se rapporte d'une façon générale aux. dispositifs semi-rconducteurs et elle concerne, plus particulièrement un dispositif semi-conducteur de commutation dans lequel sont combinés un transistor à effet de champ (TEC) et un redres-5 seur contrôlé au silicium (thyristor). Les thyristors usuels sont déclenchés quand on laisse passer un courant à travers une électrode de commande et, de ce fait, ils exigent une puissance relativement élevée pour l'opération de déclenchement. Il est également fréquent que l'isole-10 ment entre l'électrode et une charge ne soit pas suffisant. De plus, le circuit de commande doit présenter un courant de sortie d'une assez grande puissance pour permettre le passage du courant à travers l'électrode. La présente invention vise à résoudre ces problèmes et pour 15 cela elle prévoit l'incorporation d'une électrode de déclenchement dans un ensemble TEC. L'invention a donc pour objet un dispositif semi-conducteur capable d'exécuter des opérations rapides de commutation par l'application d'une tension à une électrode de déclenchement du 20 dispositif. Selon un mode de réalisation de l'invention, un dispositif semi-conducteur comprend une structure de diode semi-conductrice à couches multiples du type à conductivités alternées, une structure d'électrode de déclenchement formée à côté de la structure 25 de diode et s'étendant au moins sur trois couches continues de-. cette dernière, pour commander le dispositif par électrode de déclenchement^ et une couche isolante interposée entre les structures de diode et de l'électrode de déclenchement. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de 30 la description qui va en être faite ci-après en se référant au dessin annexé sur lequel : La figure 1 est une coupe transversale schématique d'un mode de réalisation du dispositif semi-conducteur selon l'invention. 35 Les figures 2 (a) et 2 (b) sont des courbes montrant les formes d'ondes du courant et de la tension pour expliquer le fonctionnement du dispositif représenté sur la figure 1 . Sur la figure 1, un dispositif semi-conducteur comprend quatre couches 1, 2, 3, 4 formant une structure P-N-P-N réali-40 sée en un monocristal de silicium, de germanium, de gallium, 71 36156 2 2110299 d1arséniure, etc. Les quatre couches sont appelées P^, P^ et Ng . Une électrode 5 est en contact ohmique avec la couche P^ (couche 1) et constitue l'anode du dispositif. Une autre électrode 6 est en contact ohmique avec la couche (couche 4) et cons-5 titue la cathode du dispositif. La principale caractéristique de l'invention concerne la partie de déclenchement du dispositif. Par un traitement de gravure, un traitement aux ultra-sons ou une autre technique convenable, on perce un trou 7 dans le sens vertical du dispositif 10 depuis la couche P^ (1) à la couche (3)-. On enduit la surface de la paroi intérieure du trou 7 d'une matière isolante telle que l'oxyde de silicium, SiOg , etc, ou un nitrure de silicium, cet enduit couvrant également la partie de la surface supérieure de la couche P^ (1) qui entoure l'ouverture du trou 7, ce qui permet 15 d'obtenir une couche isolante 8. Sur la surface de cette couche isolante 8, on forme une électrode 9 qui constitue l'électrode de commande du dispositif, cette opération étant exécutée par une technique d'évaporation, etc. Sur la figure, une électrode 10 vient en contact ohmique 20 avec la couche (couche 2). Les lettres a, b, c, d désignent les conducteurs ou bornes pour les électrodes respectives 5, 6, 9 et 10. Dans un dispositif semi-conducteur d'une telle construction, une structure de diode à quatre couches comportant des jonctions P-N usuelles est formée entre les électrodes 5 et 6, 25 alors que l'électrode 9 vient en contact, à travers la couche isolante 8, avec la couche P^ (1), la couche (2) et la couche (3) pour établir ainsi un ensemble TEC. D'autre part, l'électrode 10 constitue une électrode ohmique pour une diode M0S con-, . sistant en la couche (2), la couche isolante 8 et l'électrode 30 9. Ainsi, lorsqu'on applique une tension aux électrodes 5 et 6 pour introduire un potentiel positif sur 1'électrode 5, la jonction entre les couches et P^ est polarisée dans le sens inverse et ne permet pas le passage du courant à moins que la tension appliquée soit supérieure à la tension de claquage du dispositif. 35 Aussi longtemps qu'une tension inférieure à la tension de claquage est appliquée entre les électrodes 5 et 6, l'application d'une tension appropriée aux électrodes 9 et 10 pour mettre sous un potentiel positif l'électrode 10 provoque la formation d'ion canal du type P dans la couche (2) à son interface avec la 40 couche isolante 8 et un courant est ainsi autorisé à passer entre 71 36156 3 2110299 les couches et P£ » c'est-à-dire les couches 1 et 3. A ce moment, la polarisation inverse à la jonction entre les couches et P^ est interrompue et le trajet entre les électrodes 5 et 6 devient conducteur . 5 Dans la description qui vient d'être faite, il s'agit d'une opération dans laquelle on utilise toutes les électrodes 5, 6, 9 et 10. On peut cependant réaliser une opération analogue en utilisant seulement les électrodes 5, 6 et 9o Dans ce dernier cas, pendant qu'une tension est appliquée entre les électrodes 5 et 6 10 pour mettre l'électrode 5 à un potentiel positif, quand une autre tension est appliquée entre les électrodes 5 et 9 pour conférer à l'électrode 5 un potentiel positif, un canal du type P est formé dans la couche (2) à son interface avec la couche isolante 8, de la même façon que dans le premier cas envisagé, 15 et le trajet entre les électrodes 5 et 6 devient conducteur du fait que la jonction P^ est polarisée dans le sens direct. Cette opération est illustrée sur les figures 2 (a) et 2 (b). La figure 2 (a) montre une forme d'onde de courant entre les électrodes 5 et 6 alors que la figure 2 (b) représente une forme 20 d'onde de tension appliquée entre les électrodes 9 et 10 ou 5 et 9. L'application d'une tension entre les électrodes 5 et 6, lorsqu'une tension du type indiqué sur la figure 2 (b) est appliquée entre les électrodes 9 et 10 ou 5 et 9 sur le mode précédemment décrit, permet le passage d'un courant par les électrodes 5 et 25 6, courant qui est tel que sur la figure 2 (a). Dans le mode de réalisation qui vient d'être décrit, on utilise une structure de diode à quatre couches P-N-P-N. et on applique une tension de déclenchement à la région s'étendant sur trois couches remar 30 tit à des résultats analogues si l'on utilise une diode ayant un nombre de couches autres que quatre et si l'on applique une tension de déclenchement à plus de deux couches» Il ressort de la description qui vient d'être faite que l'invention permet d'effectuer des commutations par la seule 35 application d'une tension à l'électrode de déclenchement, contrairement au mode de fonctionnement des thyristors usuels dans lesquels on effectue la commutation par passage d'un courant dans une électrode de déclenchement. En conséquence, le dispositif selon l'invention n'exige qu'une faible puissance pour les opéra-40 tions de déclenchement et, de ce fait, le circuit de commande 71 36156 4 2110299 peut avoir une faible puissance de sortie. D'autre part, l'isolement entre l'électrode de déclenchement et la charge est important, on peut réaliser une capacité relativement importante de transport de courant et on peut exécuter les commutations à grande vitesse. Si, d'autre part, on utilise de l'arséniure ou du phosphure de gallium, on peut obtenir une émission lumineuse quand le dispositif est commuté à l'état conducteur . 71 36156 5 2110299 REVENDICATIONS lo Dispositif semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend . une diode semi-conductrice à couches multiples de conductivités alternées, une structure de déclenchement adjacente à la diode 5 semi-conductrice et s'étendant au moins sur trois couches de cette dernière en vue de commander le dispositif,et une couche isolante interposée entre la diode et la structure de déclenchement pour isoler ladite structure. 2o Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1, carac-10 térisé en ce que la diode comprend quatre couches et en ce que ladite structure de déclenchement est formée à l'intérieur de la structure de la diode au moins verticalement par rapport à la surface du semi-conducteur. 3. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1, carac-15 térisé en ce qu'il comprend une électrode positive sur la couche externe du type P de ladite diode et une électrode négative formée sur la couche externe du type N de ladite diode, la structure de déclenchement étant adjacente à la diode et s'étendant sur au moins trois couches de cette dernière, de manière à éta-20 blir ion canal conducteur lors de l'application d'une tension appropriée, au moins dans une couche qui établit une jonction P-N à polarisation inverse avec une couche adjacente. 4. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend également une autre électrode formée 25 sur la couche dans laquelle sera établi ledit canal conducteurô" 5o Dispositif semi-conducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la diode comprend quatre couches des types P-N-P-N, ladite autre électrode étant formée sur la couche intermédiaire du type N et ladite structure de déclenchement s'éten-30 dant sur les couches des types P-N-P.