Brevet FR2175909A1 — publié le 19731026

les thyristors connus, qui sont utilisés principalement comme interrupteurs rapides et qui sont dans une moindre mesure exposes à des charges possibles élevées, sont conçus de manière à ce que la durée de vie des porteurs de charges dans les parties centrales, dans les zones dites de base, scit relativeent faible, afin de réduire ainsi le temps de recouvrement du thyristor. n ne peut cependant réduire à volonté la durée de vie des porteurs de charges, car en dessous d'une certaine b n ite on ne pourrait plus amorcer le thyristor avec des csurants de com- mande normaux, L'objet de la pressente invention est d'élargir cette limite, sans autres inconv~nients notables. Un doit en outre avoir la possibilité d'amorcer Te thyristor, par dépassement de la tension de basculement, sans devoir pour cela fournir un courant de commande. Pour un thyristor, selon l'in- vent ion ce problème est résolu par le fait que le thyristor est constitué par au moins deux suites de zones, disposées parallèlement les unes par rapport aux autres, et que du fait du choix de la structure et/ou du profil de dopage, la durée de vie des porteurs de charges, dans la zone de base de l'une des suites de zones est plus grande que dans la zone de semiconducteur correspondante de la deuxième suite de zones,grace à quoi, on obtient pour la première suite de zones une rai- deur de la caractéristique de conduction moins grande que pour la deuxième suite de zones Grâce à la réduction de la densité des porteurs de charges ans la zone de base appartenant à la première suite de zones, on obtient pour un thyristor ainsi constitué un comportement à l'enclenchement fortement amélioré, A l'aide des dessins, on va expliquer cidessous des exemples de réalisation de l'invention plus en détail * Les dessins représentent respectivement Fig. 1 la coupe schématique de la structure du thyristor décrit en tant qu'exemple de réalisation, Fig. 2 les caractéristiques de conduction individuelles des deux suites de zones du thyristor selon la figure 1, et Fig. 3 la coupe d'un exemple de réalisation avec une électrode émetteur annulaire, bans la fleure 1 on a représenté schématiquement la coupe d'un thyristor pnpn qui se compose essentiellement d'une zone p1, d'une zone n2 dite zone de base, deune zone p centrale 3 pourvue d'une connexion de commande et et d'une autre zone n 4. Un premier domaine défini dans la figure 1, comme suite de zones A, est réalisé de manière que dans la zone de base 2 les porteurs de charges aient une durée de vie plus grande que dans les zones de base voisines, qui appartiennent à une suite de zones B.Nous appelonst1 la durée de vie des porteurs de charges dans la zone de base de la prem ère suite de zones A, tandis que dans la zone de base appartenant à la deuxième suite de zones B, cette durée de vie est égale à # 2 aver 2 t Si main- tenant dans la jonction pn entre les zones 7 et 4, on injecte le courant de commandeamené par l'électrode de commande Goe, le thyristor s'amorcera plus vite dans la zuite de zones A où les porteurs de charges dans la zone de base ont la plus grande durée de vie, que dans la suite de zones B.Une fois que les porteurs de charges s'coulent dans la suite de zones A, le courant de porteurs de charges s'étend également au reste de la structure, Cette extension du flux de courant peut entre favorisée par une structure particulière des électrodes.C'est ainsi que l'on peut prévoir par exemple un émetteur dit à effet ae champ transversal, où le domaine partiel situé au voisinage de 11 électrode de commande n'est pas connecté métalliquement à l'émetteur qui agit conjointement avec l'électrode de commande. il se produit alors une limitation supplémentaire du courant de porteurs de charges par la résistance de cheminement transversal de la zone émetteur qui n' est pas pourvue d'un contact métallique.Du fait d'un champ électrique déflecteur il se produit une expansion locale de la partie con; ductrice de courant, grâce à laquelle la surface participant au transport du courant, limitée initialement à l'environnement immédiat au voisinage de l'électrode de commande, s'agrandit jusqu'à la totalité de la zone périphérique de liévidement pratiqué dans la couche de contact métallique. Comme pour un courant déterminé, dans le sens direct, la chute de tension dans la première zone de semi-conducteur A serait, du fait de la durée de vie plus grande des porteurs de charges, plus petite que dans l'autre suite de zones B, sous réserve que dans les deux zones on ait le meme profil de dopage, on obtiendrait une répartition non homogène du courant. Pour éviter cela , on choisit pour les deux suites de zones A et B, une caractéristique de conduction selon la figure 2.Avec celle-ci, dans le domaine d'utilisation, c'est à-dire au voisinage d'une tension nominale UN, la pente-de la caractéristique de conduction de la suite de zones A, est moins grande que pour celle de la suite de zones Bo On peut obtenir une telle caractéristique par exemple en réduisant les dopages p -, et n -, des domaines extérieurs de la zone p 1, et de la zone n 4, dans la première suite de zones A, comparativement aux zones correspondantes de la deuxième suite de zones B. Ainsi, pour des courants élevés, l'injection de porteurs de charges dans la zone de base 2, à l'intérieur de la première suite de zones A, sera-t-elle plus faible qu'avec un dopage uniforme. Ceci détermine l'accroissement désiré de la chute de tension dans le sens direct pour les courants de forte intensité.En raison de la durée de vie accrue des porteurs de chargeas, dans le domaine d'utilisation, la première suite de zones A, ne laisse passer qu'un courant relativement faible comparativement à la deuxième suite de zones B. La densité des porteurs de charges dans la zone de base 2 de la suite de zones A, est donc relativement faible. Si dans un thyristor ainsi constitué on coupe le courant de charge, il se produit dans ces domaines avec des porteurs de charges de faible durée de vie, d'intenses effets de recombinai son. Dans les domaines où la durée de vie des porteurs de charges est plus grande, la densité des porteurs de charges était déjà plus petite avant la coupure du courant, de sorte que le temps de recouvrement de l'ensemble du thyristor n'est pas augmenté du fait de cette suite de zones. Un thyristor particulièrement intéressant du type décrit est constitué par une plaquette de semi-conducteur de forme circulaire, représentée dans la figure 3, avec une suite de zones pnpn , où sur la zone p supérieure, est disposé un contact métallique annulaire faisant fonction d'anode h , et qui ne recouvre pas complètement cette zone p supérieure.Sur la zone p 3, est disposé un contact de commande 6 ou Gag, et sur l'étendue de la zone 4, un contact de cathode Koe o Approximativement en dessous de la partie qui n'est pas recouverte par le contact métallique 5, il convient de disposer la zone de base où l'on trouve les porteurs de charges qui ont une longue durée de vie. il n'est pas nécessaire que la limite de cette zone soit de forme circulaire, elle peut avoir toute autre forme, ainsi par exemple une forme en étoile ou une autre forme avec des ramifications.Elle peut aussi présenter la forme de plusieurs domaines discrets ayant chacun la configuration d'un îlot. il est connu que l'expan- sion du plasma qui se forme s'effectue plus rapidement dans les domaines des porteurs de charges de longue durée de vie que dans les autres domaines. Avec un choix convenable de la forme pour la zone de base 2 à l'intérieur de la suite de zones, on peut par conséquent améliorer considérablement la vitesse de croissance du courant di/dt du thyristor0 Le thyristor décrit peut aussi s'amorcer par dépassement de la tension de basculement, car la première suite de zones A, c'est-à-dire la zone centrale selon la figure 3 s'amorce plus facilement que le domaine restant.En modifiant le profil de dopage des zones p, on peut déterminer dans une grande mesure les caractéristiques inverses (de blocage) des deux suites de zones. On peut obtenir ainsi des différences pouvant atteindre quelque 300 V. Par le choix du profil de dopage, il est en outre possible de déterminer la profondeur de pénétration de la zone de la charge d'espace dans la zone de base 2. Si pour la zone p 3, on choisit à l'intérieur de la première suite de zones A un profil de dopage plus abrupt que dans le domaine restant, on obtient une profondeur de pénétration plus grande de la zone de la charge d'espace dans la zone de base n 2, à l'intérieur de la première suite de zones A. Ainsi, le thyristor peut y entre enclenché plus facilement, car la zone de base n neutre est plus mince. Comme une longue durée de vie des porteurs de charges et un profil abrupt du dopage, ont la mtme influence, on peut les utiliser aussi bien séparément que conjointement pour l'amélioration des caractéristiques d'amorçage du thyristor. Mentionnons encore que la longue durée de vie des porteurs de charges dans la suite de zones A, qui a été choisie pour améliorer le comportement à l'amorçage, ne présente un intértt que dans le voisinage de l'anode AU, c'est-à-dire que si l'on utilise la technique de dopage mentionnée, la durée de vie du c8té de l'émetteur peut rentre choisie aussi fatble que ns le reste de la structure. Pour obtenir une durée de vie des porteurs de charges plus faible dans la suite de zones B, on y incorpore par diffusion, de la manière connue du spécialiste, des centres de recombinaison. Un tel processus de diffusion peut s'effectuer avec de ltor (Au) ou du nickel (Ni) ou avec un autre corps réduisant la durée de vie. Il faut pour cela que le domaine correspondant à la suite de zones A soit recouvert selon la technique des masque 50 Pour obtenir un dopage plus faible à l'intérieur de la zone n 4, de la suite de zones A, pendant une diffusion n + , on peut couvrir ce domaine à l'aide de la technique des masses. Il en eit de mtme pour obtenir un dopage plus faible dans la zone p 1 de la première suite de zones A. Que cdla soit ou non nécessaire dépend cependant de la structure particulière de chaque exemple de réalisation considéré. Si un dopage plus faible devait apparattre nécessaire, celui-ci pourrait entre obtenu non seulement avec des masques différents, mais aussi avec un choix différent du corps déposé pour le dopage0 Les différences à l'intérieur du profil de dopage peuvent aussi entre engendrées par des donneurs p différentsO Toutes les zones fortement dopées, au lieu d'être réalisées par diffusion, peuvent aussi entre obtenues par alliage d'un matériau convenable0 R B V EN DI C T I 0 N S lo Thyristor caractérisé en ce qu'il se compose d'au moins deux suites de zones disposées parallèlement les unes par rapport aux autres, et que du fait du choix de la structure et/ou du profil de dopage, la durée de vie des porteurs de charges dans la zone de base de l'une des suites de zones (A) est plus grande que dans la zone de semiconducteur correspondante de la deuxième suite de zones (B) gtXace à quoi, pour la première suite de zones, on obtient une caractéristique de conduction moins raide que pour la deuxième suite de zones0 2.Méthode pour la fabrication d'un thyristor selon la revendication 1, caractérisée en ce que pendant un pas de diffusion pour l'incorporation de centres de recombinaison supplémentaires dans la zone de base (2), les domaines correspondants à la deuxième suite de zones (B) sont recouverts avec des masques. 3. Thyristor selon la revendication 1, ca ractrisé en ce que les deux suites de zones présentent des caractéristiques de conduction différentes, la première suite de zones (h), dans la zone de base (2) de laquelle les porteurs de charges ont une durée de vie plus grande, présentant une caractéristique de conduction dont la pente est plus faible que dans la deuxième suite de zones (B). 4. Thyristor selon la revendication 3, caractérisé en ce que les domaines extérieurs de la zone p extérieurs (1) et de la zone n (4) à l'intérieur de la deuxième suite de zones (B) sont plus fortement dopés que les zones correspondantes à l'intérieur de la première suite de zones (A). 5. Thyristor selon la revendication 1, caractérisé en ce que sur la zone émetteur extérieure (1) est disposé un contact métallique annulaire (5). 6. Thyristor selon la revendication 5, caractérisé en ce que la zone de base (2) appartenant à la première suite de zones (A), présente uniforme ramifiée, par exemple en étoile, ou qu'elle est réalisée sous la forme de plusieurs Plots, 7. Méthode selon la revendication 2, caractérisé en ce que le profil de dopage de la zone émetteur (1) appartenant à la première suite de zones (A) est choisi plus abrupt que dans le domaine restant, 8. Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que pour réaliser des centres de recombinaison, on incorpore dans la zone de base (2) de l'or ou du nickel.