Brevet FR2198265A1 — publié le 19740329

L'invention concerne un composant bistable à semi-conducteurs à au moins trois jonctions, dont la région à dopage le plus faible est à conductivité n et la région de base p comprend un flot à fort dopage p et en contact avec une électrode de commande. Dans ces composants à semi-conducteurs (thyristors), la région à très faible dopage n, ctest-à-dire la région de base n, reçoit la tension de blocage, tandis que l'amorçage s'effectue par la région de base p. La plupart des thyristors actuels sont réalisés ainsi. Toutefois, leur valeur dite di/dt, c'est-à-dire la vitesse à laquelle le courant i de charge peut monter, lors de l'enclenchement de l'élément, sans le détruire par surchauffe locale, limite en particulier considérablement en pratique leurs possibilités d'application. La valeur di/dt est aussi dénommée "pente critique du courant". Divers dispositifs spéciaux d'amorçage sont connus pour améliorer la valeur di/dt, et en particulier ceux à électrode de commande, appelée aussi grille ou gachette, d'amplification, ceux à émetteur à champ transversal, ceux à électrode de commande à régénération et ceux à électrode de commande de jonction. Un fort courant pilote interne donne une forte valeur à la dérivée di/dt aux dispositifs connus d'amorçage. Ce courant pilote interne s'obtient de son c8té par des courants pilotes externes de faible valeur au moyen d'un thyristor auxiliaire intégré, amorcé lui-meme par le courant externe d'amorçage. Ce principe connu se dénomme parfois à "amplification interne d'amor çage Les dispositifs connus d'amorçage ont tous l'inconvénient de compliquer cosidérablement la fabrication du point de vue technologique. Par ailleurs, les dispositifs connus ont l'inconvénient d'influer défavorablement sur d'autres caractéristiques du thyristor, par exemple sur leur capacité de conduire le courant, et aussi de ne pas assurer l'amorçage homogène sur tout le bord de la cathode. L'invention a donc pour objet un composant à semiconducteurs et à grande valeur di/dt, qui n'a pas les inconvénients mentionnes. Selon une particularité essentielle du thyristor du type mentionné selon l'invention, un flot à fort dopage p, formant une jonction pn avec la région n de l'émetteur, est disposé dans la région de base p et/ou un pilot à fort dopage n forme une jonction pn avec l'!lot en contact avec l'électrode de commande est disposé dans cette région de base p. Le concept selon l'invention repose sur l'observation que - contrairement à l'opinion généralement exprimée jusqu'à présent il se produit une avalanche tout d'abord sous l'électrode de commande lors de l'amorçage d'un thyristor, car le gradient de la densité d'électrons vers la jonction pn qui provoque le blocage dans le sens direct y est beaucoup plus fort que sous la cathode.La disposition selon l'invention a toutefois pour effet qu'au moment de l'amorçage, la concentration en électrons augmente dans la région p de la base à proximité de la cathode, de sorte que dans cette zone également, le gradient de la densité d'électrons est suffisamment grand vers la jonction pn à blocage dans le sens direct, de sorte que des électrons peuvent passer dans la région de base n sous la cathode et que la région p de l'émet- teur est incitée à injecter des lacunes dans cette zone. Le ou les zlotys à fort dopage prévus selon l'invention dans la région p de la base peut élever la concentration en électrons aussi bien avant l'avalanche de la jonction pn de blocage que peu après une avalanche locale de cette dernière. Dans le premier cas, il peut être fait mention d'une "amplification statique d'amorçage" pour laquelle seul le courant circulant entre l'électrode de commande et la cathode (courant d'amorçage) est nécessaire pour l'élévation de la concentration en électrons. Le second cas peut être désigné "amplification dynamique d'amorçage", Car alors le courant qui est utilisé est celui qui passe par la jonction pn, antérieurement de blocage, et qui à cet instant est encore localisé. L'invention sera décrite plus en détail en regard des annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une coupe transversale d'un thyristor cylindrique symétrique comprenant un îlot à fort dopage p formant une jonction pn avec la région n de l'émetteur pour élever la concentration en électrons ; la figure 2 est une coupe transversale partielle dtun thyristor tel que celui de la figure 1 et comprenant un flot à fort dopage n formant une jonction pn avec la région en contact avec l'électrode de commande la figure 3 est une coupe transversale partielle d'un thyristor del que celui de la figure 2, mais dont l'tlot à fort dopage n est disposé différemment ; et la figure 4 est une coupe transversale analogue à celle de la figure 3, mais d'un thyristor comprenant un îlot auxiliaire à fort dopage p qui prolone l'îlot à fort dopage n. La figure 1 représente un thyristor qui comprend une région i dc base p, une région 3 d'émetteur n, une cathode 2 et une électrode 5 de commande lu'un îlot 6 à fort dopage p relie électriquement à la région 1 de base p. Le thyristor comporte par ailleurs une région 11 de base n, une région 12 l'émetteur p et une couche 13 à fort dopage p qui relie cette dernière à l'anode 14-. Cette disposition du composant à semi-conducteurs correspond intégralement aux modes classiques de réalisation, compte non tenu du fait que ceux-ci comportent de plus en général sur l'enveloppe des chanfreins destinés à améliorer la capacité de blocage. Ces chanfreins sont toutefois sans importance dans le cadre de l'invention et ne sont donc pas représentés dans les divers exemples de réalisation. Cependant, selon la particularité essentielle de l'invention, l'élément représenté sur la figure comprend un flot 4 à fort dopage p situé dans la région 1 de base p et en contact avec la région 3 d'émetteur n de maniere à former avec cette dernière une jonction pa. Dans le mode de réalisation de la figure 1 qui est constitué en élément cylindrique symétrique , l'îlot 4 à fort dopage p est avantageusement annulaire et disposé à l'intérieur par rapport à la cathode 2 également annulaire et par rapport à la région annulaire 3 d'émetteur n, l'électrode 5 de commande et l'îlot 6 étant disposés centralement sur la face de l'élément.La concentration de dopage de l'îlot 4 est par exemple' d'environ 1017 à 1020 atomes/cm lorsque la concentration de la région 1 de base p est de 10 à 10 em3, celle de l'îlot 6 est de 1017 à 1020 cm-3 et celle de la région 3 d'émetteur n est de 1017 à 1020 cm-3. L'élévation de la concentration en électrons devant être produite par l'îlot 4 a lieu de la manière suivante : lorsqu'un courant circule entre l'électrode 5 (positive) de commande et la ca t@ode (négative) 2, la concentration en lacunes de la région 1 augmente à la transition à l'ilot 4 et donc la condition de neutralité qui affecte In région 1 a également pour effet d'élever la concentra- tion en électrons. Ainsi, le gradient de la densité d'électrons de lttlot 4 ver la jonction pn 1/11 devant être bloquée augmente et, après amorçage du composant sous l'électrode 6 de commande, une injection de lacunes provenant de la région 12 d'émetteur p se produit très rayidément aussi sous la cathode 2. Le processus décrit peut être considéré comme une "amplification statique d'amorçage", comme mentionné précédemment, car l'élévation de la concentration en électrons a lieu dès avant l'avalanche de la jonction pn i/li. La figure 2 représente une variante avantageuse de réalisation de l'invention. Un ilot 7 à fort dopage n est prévu au centre de l'!lot 6 en contact avec l'électrode 5 de commande. Cet îlot 7 provoque une injection d'électrons lorsqu'il se produit une avalanche sous l'électrode 5 de commande à la jonction pn 1/11 qui provoquait antérieurement le blocage et que le fort potentiel positif de l'anode 14 par rapport à celui de l'électrode 5 de commande est capable d'agir sur l'îlot 7.Le courant qui passe par l'électrode 5 de commande élève le potentiel de la région 1 de base p dans la zone de l'îlot 6 par rapport à celui des zones de la région 1 de base p voisines de la cathode 2, de sorte qu'un courant de lacunes se produit à proximité de la cathode 2 et que la concentration en électrons s'y élève, donc que l'amorçage est rapide, comme mentionné plus haut. L'élévation de potentiel provient en particulier de l'inversion de polarité de la jonction pn 6/7, mais cependant que la charge de cette dernière dépasse sa tension d'avalanche, de sorte que le courant qui circule de l'électrode 5 de commande par la jonction 6/7 vers la région 1 de base p provoque une chute de tension. Une autre possibilité d'élever le potentiel dans la région 1 de base p au voisinage de 1'Plot 6 consiste à court-circuiter par une métallisation 16 de surface la jonction pn entre l'îlot 7 à fort dopage n et l'îlot 6 en contact avec l'électrode 5 de commande et à monter un limiteur 15 de courant, par exemple une résistance ohmique de 1 à 100 ohms, dans le conducteur d'arrivée à l'électrode 5 de commande. Cette possibilité est représentée en ligne brisée sur la figure 2. 11 est possible d'améliorer encore la solution décrite en disposant sous l'îlot 6 un îlot 8 à fort dopage n qui peut être réalisé par exemple sous forme dtune "couche enterrée". Cet îlot 8 améliore l'injection des électrons sur le bord extérieur de l'îlot 6 p où a lieu d'après les découvertes récentes la première avalanche (locale) de la jonction 1/11 de blocage selon la flèche Z (figure 1). Le mode de réalisation de la figure | peut être com biné avec celui de la figure 2 de la manière indiquée sur cette der nière dans laquelle lttlot 4 à fort dopage p est représenté en ligne brisée. La figure 3 représente une autre variante avantageuse de réalisation de l'invention. Dans ce cas, l'îlot 7 à fort dopage n est disposé à la surface de la région 1 de base p, entre l'îlot 6 et la région 3 d'émetteur n. Le fort potentiel positif de l'anode 14 v-s-à-vis de l'électrode 5 de commande inverse la polarité de la jonc tion pn 6/7 après l'avalanche à la jonction 1/11 et, en conséquence, comme mentionné en regard de la figure 2, le potentiel s'élève de la manière recherchée dans la région 1 de base p à proximité de l'îlot 6. Cependant, une métallisation 16 de surface (représentée en ligne brisée) peut aussi également court-circuiter la jonction pn 6/7, l'élévation de potentiel étant alors également produite par un limiteur 15 de cou rant. la représentation en ligne brisée de l'îlot 4 à fort dopage p illustre à nouveau la possibilité de combiner -les modes de réalisation des figures 1 et 3. La faible distance qui sépare dans le mode de réalisa tion de la figure 3 l'îlot 7 constituant une source d'électrons et la cathode 2, par rapport à la distance correspondante du mode de réalisation de la figure 2, accélère encore l'amorçage de la région située sous la cathode. Par contre, l'îlot 7 dégrade l'injection de lacunes de l'îlot 6 situé dansXla région 1 de base p vers la région 3 d'émet teur n lors du passage du courant d'amorçage. La figure 4 représenF2 finalement un îlot 9 à fort dopage p qui est en contact avec l'îlot 7 à fort dopage n et qui forme avec ce dernier une jonction pn court-circuitée par une métallisation 10 de surface. L'îlot 9 provoque avant l'avalanche dc la jonction 1/11 une injection de lacunes dans la zone de la région 1 de base p située entre cet îlot 9 et la région 3 d'émetteur n. L'îlot 7 provoque une injection d'électrons après avalanche de la jonction pn 1/11. Le court circuit de la jonction pn 7/9 par la métallisation 10 de surface est nécessaire, car la polarité dc cette jonction est inversée pour que la tension entre l'électrode 5 de commande et la cathode 2 soit positive. La jonction pn 6/7 nte3t de préférence pas court-circuitée dans ce cas, car, après l'avalanche qui se produit dans la jonction 1/11 sous l'électrode 5 de commande, la polarité inverse de ladite jonction a pour effet que le courant qui circule dans l'îlot 7 se dirige de manière préférentielle vers la cathode 2. La concentration du fort dopage n des îlots 7 et 8 est par exemple de 1017 à 10 cm 3 et celle du fort dopage p de l'plot 9 est par exemple de 1017 à 1020 cl 3. L'îlot 4 à fort dopage p, représenté. en ligne brisée, illustre à nouveau la possibilité de combiner les modes de réalisation des figures 1 et 4. Les processus de dopage relatés en regard des figures 2 à 4 ("amplification dynamique d'amorçage") peuvent aussi se comprendre en considérant que la succession des régions 7 - 1 - 11 - 12 - 13 forme un thyristor auxiliaire intégré entre les électrodes 16 ou 10 et 14 ou entre les-électrodes 5 et 14 lorsque la jonction pn 6/7 est conductrice en sens inverse. Toutefois, contrairement aux dispositifs connus d'amorçage, mentionnés plus haut, ltélectrode 5 de commande constitue dans ces cas la cathode du thyristor auxiliaire. Bien entendu, les dispositions selon l'invention appliquées dans la description précédente à des structures cylindriques symétriques sont aussi applicables à des structures ayant d'autres formes géométriques. Les composants à semi-conducteurs du type mentionné peuvent être réalisés de manière connue par des techniques de diffusion et de masquage (procédés mettant en oeuvre des réserves photographiques). Il va de soi que les composants décrits et représentés peuvent subir diverses autres modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Composant bistable à semi-conducteurs et à au moins trois jonctions, dont la région à dopage le plus faible est à conducti vité n et la région de base p comprend un îlot à fort dopage p en contact avec une électrode de commande, caractérisé en ce qu'un îlot à fort dopage p, formant une jonction pn avec la région d'émetteur n,est disposé dans la région de base p et, le cas échéant ou en va riante, un îlot à fort dopage n formant une jonction pn avec l'îlot en contact avec l'électrode de commande est disposé dans cette même région de base p. 2. Composant à semi-conducteurs selon la revendica tion 1, caractérisé en ce qu'il comprend sur sa face une électrode centrale de commande entourée par la cathode annulaire et l'îlot à fort dopage p est disposé en anneau situé intérieurement par rapport à la cathode annulaire. 3. Composant à semi-conducteurs selon la revendica tion 2, caractérisé en ce que la concentration de dopage de la région de base p est de 1014 à 1017 cm-3, la concentration de dopage de l'îlot de la région de base p qui est en contact avec l'électrode de commande est de 1017 à 1020 cm-3, la concentration de dopage de la région d'émetteur n est de 1017 à 1020 cm3 et la concentration de dopage de l'îlot à fort dopage p est d'environ 1017 à 1020 cm-3, 4. Composant à semi-conducteurs selon l'une des re vendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'îlot à fort dopage n ,est disposé au centre de l'îlot en contact avec l'électrode de commande. 5. Composant à semi-conducteurs selon l'une des re vendications 1 et 4, caractérisé en ce que l'îlot à fort dopage n est situé sous l'îlot qui se trouve dans la région de base p et qui est en contact avec l'électrode de commande. 6. Composant à semi-conducteurs selon la revendica tion 1, caractérisé en ce que l'îlot à fort dopage n est disposé à la surface dc la région de base p, entre ledit îlot en contact avec l'électrode de commande et la région d'émetteur n. 7. Composant à semi-conducteurs selon la revendica tion 6, caractérisé en ce qu'un îlot à fort dopage p est disposé en contact avec l'îlot à fort dopage n en formant une jonction pn avec ce dernier et la région d'émetteur n,et la jonction pn est court-circuitée par une métallisation de surface. 8. Composant à seni-conducteurs selon la revendication 1 ou selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la jonction pn entre l'îlot à fort dopage n et l'îlot qui est en contact avec l'électrode de commande est court-circuitée par une métallisation de surface et un limiteur de courant est monté dans le conducteur d'arrivée à l'électrode de commande. 9. Composant à semi-conducteurs selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que la concentration de dopage de l'îlot à fort dopage n est de 1017 à 1020 cm-3. 10. Composant à semi-conducteurs selon l'une quelconque des revendications 7 à 9,caractérisé en ce que la concentration de dopage de l'îlot à fort dopage p qui est en contact avec l'îlot à fort dopage n est de 1017 à 1020 cm-3. 11. Composant à semi-conducteurs selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la disposition géométrique de toutes les régions et îlots est cylindrique et symétrique.