Brevet FR2182224A1 — publié le 19731207

i 2182224 La présente invention est relative à des redresseurs commandés à quatre zones, excités par la lumière, encapsulés dans un boîtier d'assemblage plat, de manière à pouvoir être empilés facilement. La conception actuelle des dispositifs semiconducteurs excités par la lumi-5 ère, et en particulier des interrupteurs ou redresseurs commandés, excités par la lumière, constitue un compromis entre une dissipation de chaleur efficace, une surface de contact électrique suffisante et une surface de contact optique suffisante. En l'absence d'un matériau de mise en contact électrique qui devrait être 10 transparent aux radiations ou à la lumière d'excitation, la surface du corps de matériau semiconducteur, par exemple du silicium, à travers laquelle la lumière d'excitation pénètre, ne peut pas être mise en contact électrique. Par conséquence, la lumière ne peut entrer dans le corps de silicium que sur une surface relativement petite et une circulation de courant latéral doit s'établir avant 15 que tout le corps soit "passant". Un dispositif 8, typique de la technique antérieure, est représenté à la figure 1. Ce dispositif excité par la lumière est un interrupteur à quatre zones et est constitué d'un corps 10 de silicium ayant une zone 12 d'émetteur anodique du type P, une zone 14 de base du type N, une zone 16 de base du type P et une 20 zone 18 d'émetteur cathodique du type N. Le dispositif 8 comprend deux bornes de puissance 28 et 33 adaptées pour pouvoir être raccordées à une source d'énergie électrique, non représentée. Dans la réalisation particulière représentée, la borne supérieure 28, qui est de préférence réalisée en cuivre ou en tout autre matériau similaire de conductibilité électrique élevée, présente une partie pla-25 te 30 sur laquelle est appliquée la zone inférieure 12 d'émetteur anodique. La partie plate 30 se prolonge vers le bas par un goujon fileté 32 adapté pour pouvoir être raccordé à un dispositif de dissipation de chaleur. La borne supérieure 33 est constituée d'une partie cylindrique creuse, également réalisée en cuivre ou en tout autre matériau de conductibilité électrique 30 élevée, qui possède à son extrémité inférieure une collerette 34 qui repose sur la face supérieure du corps 10 et est reliée à la zone 18 d'émetteur cathodique. Une enveloppe isolante 36 en céramique, ayant la forme d'une coupe, entoure le corps 10 en silicium et est rendue étanche au point de traversée des bornes 28 et 33. 35 Le dispositif décrit jusqu'ici est de construction similaire à celle d'un interrupteur à quatre zones, sauf que le conducteur de grille ou de porte que 1' on trouve dans les dispositifs commandés par impulsions, est éliminé. Au lieu d'un conducteur de porte classique, ce type de dispositif possède un alésage interne, pratiqué dans la borne supérieure 33, et, l'extrémité supérieure de l'a-40 lésage 38 est, par l'intermédiaire d'un conduit de lumière, posant de préférence 73 15516 2 2182224 sur la surface de l'émetteur cathodique, raccordé à une source d'énergie lumineuse 42, constituée de façon typique par une diode laser à arséniure de gallium ou à une pile de diodes laser. La lumière émise par la source lumineuse 42 est amenée à travers le conduit de lumière 40, directement sur une région non métal-5 lisée de la surface de la zone 18 d'émetteur cathodique. Le dispositif est donc déclenché par la lumière, schématiquement figurée par les flèches 44, qui traverse la zone 18 d'émetteur cathodique et pénètre dans la zone 16 de base du type P et, dans une certaine mesure, dans la zone 14 de base du type N. Les interrupteurs excités par la lumière réalisés suivant les techniques 10 antérieures sont, pour la plupart, des dispositifs à goujon du type représenté à la figure 1 et, comme tel, ne peuvent pas être empilés de manière compacte pour être utilisés à des tensions élevées. Les tentatives faites pour construire des dispositifs excités par la lumière, logés dans des boîtiers plats, et pour les empiler afin qu'on puisse les uti-15 liser dans des circuits à haute tension, n'ont pas été couronnées d'un succès total au point de vue commercial à cause de l'écart trop important qui doit être prévu entre les dispositifs empilés pour permettre l'amenée de la lumière dans chacun des dispositifs. La figure 2 représente un empilage classique de dispositifs excités par la 20 lumière, réalisé suivant les techniques antérieures. L'empilage 50 est constitué d'une série de dispositifs interrupteurs 52 à quatre zones, excités par la lumière, logés dans des boîtiers plats, entre lesquels sont disposés des éléments d'écartement 54, électriquement conducteurs. Un conduit de lumière 56 traverse chacun des éléments d'écartement 54 et pénètre 25 dans la partie supérieure du dispositif 52 disposé en-dessous de l'élément d'écartement. La lumière transmise par les conduits 56 rend les dispositifs 52 conducteurs. Les dispositifs 52 sont du même type que celui représenté à la figure 1, sauf qu'ils sont encapsulés dans un boîtier plat au lieu d'être encapsulés dans 30 des boîtiers à goujon, comme montré à la figure 1. L'empilage 50 de la figure 2 présente un inconvénient majeur. Pour tenir compte du conduit de lumière, l'élément d'écartement 54 doit être relativement épais et l'augmentation d'épaisseur qui en résulte se traduit par une augmentation de l'inductance du circuit et du volume nécessaire pour loger l'empilage 35 50. Dans les circuits modulateurs de radar, où le rapport di/dt peut être de plusieurs milliers d'ampères par microseconde, des inductances extrêmement faibles peuvent être très importantes, par exemple, à 2 000 ampères par microsecon- —8 de, une inductance de 5 x 10 h se traduira par une chute de tension de 100 40 volts aux bornes de l'inductance. Un seul des éléments d'écartement peut *73 15516 3 2182224 facilement introduire une telle inductance. Un des buts de la présente invention est de réaliser un redresseur excité par la lumière, perfectionné, encapsulé dans un boîtier plat facilitant l'empilage, qui élimine les inconvénients inhérents aux dispositifs antérieurs. 5 Suivant la présente invention, on a conçu un dispositif semiconducteur com prenant un corps en matériau semiconducteur encapsulé dans un boîtier, le dit corps ayant quatre zones alternées de conductibilité de type opposé, une jonction P-N entre chaque zone adjacente, le dit corps ayant deux faces plates principales opposées sensiblement parallèles, un moyen pour diriger l'énergie lumineu-10 se sur une partie de l'une des dites faces plates, le dit moyen comportant une ouverture formée par des parois du dit boîtier, caractérisé en ce que la dite . * ouverture s'étend entièrement à travers le dit boîtier, suivant une direction s* écartant de la perpendiculaire, grâce à quoi l'énergie lumineuse vient frapper l'une des dites faces plates du corps semiconducteur, suivant un angle détermi-15 né. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés qui sont relatifs à une réalisation donnée à titre d'exemple. Sur ces dessins: - La figure 1 est une coupe pratiquée dans un dispositif excité par la lumi-20 ère, réalisé suivant l'art antérieur. - La figure 2 est une représentation schématique d'un empilage de dispositifs excités par la lumière, réalisés suivant les techniques antérieures. - Les figures 3, 4 et 5 sont des vues latérales de corps en matériau semiconducteur pouvant être utilisés dans le dispositif suivant l'invention. 25 - La figure 6 est une vue explosée d'un semiconducteur excité par la lumière, réalisé suivant les principes de la présente invention. - La figure 7 est un graphique de la réflectibilité par rapport à l'angle d' incidence. - La figure 8 est une représentation schématique d'un empilage de dispositifs 30 fabriqués suivant les principes de la présente invention. A la figure 3, on a représenté un corps 110 de matériau semiconducteur pouvant être utilisé dans un dispositif excité par la lumière, réalisé suivant l'invention. Le corps 110 de matériau semiconducteur de la figure 3 ressemble au corps 35 de matériau semiconducteur de la figure 1 et, tous les détails similaires portent les mêmes références qu'à la figure 1. Le corps 110 de la figure 3 présente une caractéristique que l'on ne trouve pas dans les dispositifs antérieurs. Cette caractéristique consiste en des moyens réflecteurs. Ces dits moyens réflecteurs consistent en une série de sillons 60 40 creusés dans la face inférieure 62 du corps 110. Les moyens réflecteurs 60 73 15516 4 2182224 provoquent, conjointement avec les radiations lumineuses qui pénètrent profondément à l'intérieur du matériau semiconducteur, une "mise en conduction" du dispositif plus rapide. Les radiations lumineuses frappent les moyens réflecteurs, c'est-à-dire les sillons 60 et sont immédiatement réfléchies à travers le corps 5 110. La région relativement éloignée du corps 110 est donc excitée sans aucun retard pour l'instauration de l'accélération latérale. L'utilisation de tels moyens réflecteurs est exposée en détail dans la demande US. 834 997 du 20 juin 1969, également cédée à la Westinghouse Electric Corporation. 10 Bien que l'incorporation de tels moyens réflecteurs, en l'occurrence les sillons 60 de la figure 3, soit souhaitable, elle n'est toutefois pas indispensable et, la face inférieure 62 du dispositif 110 peut être lisse et ne pas présenter de tels sillons. Un tel corps est représenté à la figure 4 et porte la référence 210. 15 En outre, il n'est pas nécessaire que la zone 16 soit exposée à la surface supérieure du corps. Cette modification est également représentée à la figure 4. Comme indiqué à la figure 5, un contact électrique 64 en métal, tel que par exemple du molybdène, du tungstène, du tantale ou un alliage à base de ceux-ci, est soudé sur la face inférieure 62 du corps semiconducteur à l'aide d'une cou-20 che de soudure 66. La couche de soudure 66 est, de préférence, formée avec une soudure dure, c'est-à-dire un alliage à base d'or ou d'argent, fondant au-dessus d'environ 350°C. Un second contact électrique 70 est attaché à la surface supérieure 72 du corps semiconducteur. Le contact 70 est, de préférence, constitué par une couche 25 d'aluminium, obtenue par évaporation, ayant une épaisseur de 55 000 à 65 000 Â. Le corps en semiconducteur muni de ses contacts électriques, qui est représenté à la figure 5, porte la référence 310. Il faut noter que le contact 70 est percé d'une ouverture ou fenêtre centrale 74 pour permettre à l'énergie lumineuse d'atteindre la surface 72 du corps. 30 La surface de la fenêtre 74 dépend du di/dt que l'on désire lorsque le dis positif est terminé. La surface de l'ouverture ou fenêtre 74 par rapport au di/ dt possible doit être telle que la densité de courant ne dépasse pas 5 000 ampè- 2 . . . „ res par cm du dispositif. Une fenetre circulaire de 3,75 mm de diamètre permet un di/dt de 4 000 ampères par microseconde. 35 Si on utilise un corps semiconducteur ayant la configuration représentée à la figure 3, pour ce qui est des zones 18 et 16, le contact 70 ne repose que sur la partie de la face 72 où la zone 18 est exposée et ne doit pas recouvrir la zone 16. A la figure 6, le corps 310 de la figure 5 est représenté coiane étant logé 40 à l'intérieur d'un boîtier d'encapsulage assurant une liaison par compression. 73 15516 2182224 La figure 6 est une représentation sous forme de vue explosée de manière à la rendre plus claire. Il est bien entendu que le corps 310 peut être le corps de matériau semiconducteur représenté à la figure 3 ou à la figure 4. 5 Comme indiqué à la figure 6, le corps 310 est disposé dans un boîtier d'en capsulage 80 qui comprend une partie supérieure 82 et une partie inférieure 84. Dans la fabrication commerciale réelle de cet assemblage, le corps 310, la partie supérieure 82 du boîtier d'encapsulage 80 et la partie inférieure 84 du dit boîtier d'encapsulage 80 peuvent être, comme indiqué, pré-assemblés, l'assembla-10 ge final consistant simplement à attacher ensemble la partie supérieure 82 et la partie inférieure 84 du boîtier d'encapsulage 80, le corps 310 étant disposé à l'intérieur du dit boîtier. La partie supérieure 82 du boîtier d'encapsulage 80 peut comporter un élément électriquement isolant 86, fabriqué en porcelaine au zirconium, ou en tout 15 autre matériau isolant convenable, ainsi que des pièces métalliques 88 et 90 munies d'un rebord. Ces pièces 88 et 90 doivent être fabriquées avec un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal à celui de l'élément isolant 86 et pouvant être fixé sur ce dernier par brasage, soudage, ou par tout autre moyen de fixation convenable. Par exemple, les pièces 88 et 90 peu-20 vent être réalisées avec un alliage plaqué de cuivre, contenant 10 à 35 % en poids de cobalt, de 22 à 33 % en poids de nickel et le reste étant du fer avec des impuretés accidentelles, cet alliage étant vendu sous la marque "KOVAR". Les pièces métalliques 88 et 90 peuvent être fixées sur l'élément isolant 86 par de la soudure à l'argent ou par tout autre matériau de brasage convenable. La par-25 tie 82 du boîtier d'encapsulage 80 est complétée en brasant un élément 92 en forme de coupe sur la pièce 88, l'élément 92 en forme de coupe étant fabriqué à 1' aide d'un métal relativement tendre, ayant une haute conductibilité thermique et électrique, comme par exemple l'argent. L'élément 92 en forme de coupe constitue l'un des contacts de pression sur le corps 310 et le diamètre de sa base peut 30 être sensiblement le même que celui de la couche d'aluminium 70. La partie inférieure 84 du boîtier d'encapsulage 80 comprend un élément métallique 94 en forme de coupe, qui comme l'élément 92, constitue également l'un des contacts de pression sur le corps 310, et une pièce métallique 96. L'élément métallique 94, en forme de coupe, peut être également fabriqué en argent. L'êlé-35 ment 94, en forme de coupe, est fixé sur la pièce métallique 96 avec de la soudure à l'argent ou par tout autre moyen de fixation convenable. L'élément 94 en forme de coupe peut présenter à la partie extérieure du fond de la coupe, un renfoncement 98 ayant un diamètre tel qu'on puisse y loger un contact 64 du corps 310. La pièce métallique 96 est réalisée à l'aide d'un matériau pouvant être fa-40 cilement fixé sur la pièce 90 de la partie 82. Par exemple, la pièce 96 peut 73 15516 6 2182224 être fabriquée en acier plaqué de cuivre et soudée, par projection, sur la pièce 90, la partie en saillie 100 de la pièce 96 étant un bossage de soudage. L'assemblage final du dispositif encapsulé complet consiste simplement à placer le corps 310 dans le renfoncement 98 de la partie inférieure 84, le con-5 tact 64 du dit corps 310 étant mis en contact avec le fond du dit renfoncement 98. La partie supérieure 82 du boîtier d'encapsulage 80 est alors placée au-dessus de l'élément métallique 94 en forme de coupe de la partie inférieure 84, les pièces métalliques 90 et 96 étant en contact. Les pièces métalliques 90 et 96 sont fixées l'une à l'autre, par exemple par soudage, pour terminer l'assem-10 blage. Si on le désire, on peut placer à l'intérieur de l'encapsulage 80 un dessi-cajKteur convenable. Donc, le boîtier d'encapsulage possède deux éléments en forme de coupe, disposés face à face, qui forment dans le dit encapsulage des dépressions opposées, relativement importantes, dirigées vers l'extérieur. 15 Les éléments en forme de coupe 92 et 94 qui constituent en fait les con tacts de pression sur le corps 310, ont leurs bords dirigés vers l'extérieur et le fond de leur partie renfoncée dirigé vers l'intérieur, pour que l'un, vienne appuyer sur le contact 70 et l'autre sur le contact 64 du corps 310. Cette disposition permet de loger des électrodes 102 et 104, relativement 20 grandes, dans le creux des éléments 92 et 94 et d'appliquer la pression nécessaire pour réaliser des liaisons par compression de haute qualité entre le corps 310, les éléments 92 et 94 en forme de coupe et les électrodes 102 et 104. Les électrodes 102 et 104 peuvent être fabriquées en cuivre ou en tout autre matériau convenable ayant de bonnes caractéristiques de conductibilité électrique et 25 thermique. L'énergie lumineuse destinée à rendre le dispositif "passant" est amenée par un conduit de lumière, non représenté, disposé dans une ouverture ou alésage 108 traversant entièrement l'électrode 102 et l'élément 92. L'ouverture 108 est pratiquée suivant une direction faisant un angle Thêta (0) avec la perpendicu-30 laire au plan du corps 210 (voir figure 6). L'angle 9 est fonction de deux paramètres : (1) la possibilité d'empiler les dispositifs sans utiliser des éléments d'écartement et, (2) l'utilisation maximum de l'énergie lumineuse. 35 La possibilité d'empiler les dispositifs peut être obtenue en pratiquant 1* ouverture dans une direction formant un angle 0 d'environ 20 degrés avec la perpendiculaire. Le second paramètre, c'est-à-dire l'utilisation maximum de l'énergie lumineuse peut être mieux compris en se référant à la figure 7 qui est un graphique 40 donnant la réflectibilité en fonction de l'angle d'incidence. Les données de 73 15516 7 2182224 la figure 7 sont basées sur la réflectibilitë de la surface de séparation air-silicium en fonction de l'angle d'incidence pour de la lumière polarisée dans le plan d'incidence, de 1,6 micron de longueur d'onde. L'allure générale de la cour-be_est tout-à-fait valable pour d'autres matériaux semiconducteurs et pour d'au-5 très longueurs d'onde de lumière. On peut constater à la figure 7 qu'un angle B de 10 degrés donne une réflectibilitë d'environ 0,31, c'est-à-dire qu'environ 31 % de l'énergie lumineuse frappant la surface du corps de silicium sont perdus par réflexion.. Si 1'angle 6 est égal à 20 degrés, les pertes imputables à la réflexion sont d'environ 29 10 %. Comme on peut le voir en examinant le graphique de la figure 7, plus l'angle 0 augmente moins les pertes d'énergie lumineuse par réflexion sont élevées. A environ 74 degrés 3 minutes, il n'y a pas de pertes d'énergie lumineuse dues à la réflexion. Les pertes dues à la réflexion commencent alors à nouveau' à augmenter quand l'angle 0 dépasse les 74 degrés 3 minutes jusqu'à ce qu'il atteigne 15 85 degrés environ où les pertes par réflexion sont de nouveau de l'ordre de 29 %. Par conséquence, un angle 0 de l'ordre de 20 à 85 degrés est acceptable mais il est préférable de choisir un angle compris entre 45 et 82 degrés. A la figure 8, on a représenté schématiquement un empilage de trois dispositifs tel que celui montré à la figure 6. Les ouvertures 108 font avec la per-20 pendiculaire un angle d'environ 62 degrés et les pertes par réflexion qui en résultent sont inférieures à 10 %. L'empilage de la figure 8 n'introduit aucune inductance appréciable dans le circuit associé du fait qu'il ne nécessite pas 1' utilisation d'éléments d'écartement. 73 15516 8 2182224 REVENDICATIONS. 1. Dispositif semiconducteur comprenant un corps en matériau semiconducteur encapsulé dans un boîtier, le dit corps en matériau semiconducteur ayant quatre zones de conductibilité de type alterné, une jonction P-N entre chaque zone ad- 5 jacente, le dit corps ayant deux faces plates principales opposées, sensiblement parallèles, un moyen pour diriger l'énergie lumineuse sur une partie d'une première des dites faces plates, le dit moyen comportant une ouverture formée par les parois du dit boîtier, caractérisé en ce que la dite ouverture s'étend entièrement à travers le dit boîtier suivant une direction s'écartant de la perpen-10 diculaire, grâce à quoi l'énergie lumineuse frappe la dite première face plate du corps semiconducteur suivant un angle prédéterminé. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les parois du boîtier forment l'ouverture dans la face supérieure du dit boîtier et en ce que l'angle de l'ouverture, par rapport à la perpendiculaire, est de l'ordre de 20 à 15 85 degrés. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les parois du boîtier forment l'ouverture dans la face supérieure du dit boîtier et en ce que l'angle de l'ouverture, par rapport à la perpendiculaire, est de l'ordre de 45 à 82 degrés. 20 4. Dispositif semiconducteur suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les dites quatre zones de conductibilité de type alterné sont alternativement disposées entre la dite face supérieure et la dite face inférieure, en ce que le dit moyen pour diriger la lumière constitue un moyen pour diriger l'énergie lumineuse sur la partie non recouverte de la dite première face et 25 en ce qu'un contact électrique métallique est disposé autour de la partie périphérique de la dite première des faces principales et ne recouvre que partiellement la surface de la dite face et qu'un second contact électrique métallique est disposé sur l'autre face principale du corps. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par au moins un sillon 30 creusé dans la dite autre face du corps en matériau semiconducteur, le dit sillon étant disposé en-dessous de la dite partie de la dite première face non recouverte par le contact électrique métallique. 6. Empilage vertical de dispositifs semiconducteurs raccordés électriquement, réalisés suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 35 chacun des boîtiers possède une face supérieure principale et une face inférieure principale, une première des dites faces étant en contact électrique avec chacune des dites faces principales du dit corps encapsulé correspondant, la face supérieure du boîtier encapsulant un corps étant en contact électrique avec la face inférieure du boîtier encapsulant l'autre corps, et les parois de chaque face 40 supérieure de chaque boîtier formant une ouverture s'étendant entièrement à travers la dite face du dit boîtier, la dite ouverture passant à travers la dite face suivant une direction faisant un angle prédéterminé avec la perpendiculaire.