Brevet FR2207363A1 — publié le 19740614

L'invention concerne un thyristor avec au moins une borne de commande où, en plus du contact galvanique avec la zone émetteur principale extérieure qui lui correspond, l'électrode principale voisine de la zone de commande est aussi en contact galvanique avec la zone de commande. De tels thyristors sont largement connus (voir par exemple le brevet allemand 1 154 872 ; 11 ouvrage de Gentry et al. "Semiconductor Controlled Rectifiersn, Prentice Hall Zinc. 1964, page 138 ; la revue Scientia Electrica, vol. XII, fasc. 4 (1966) page 120); Le contact galvanique de l'é- lectrode principale avec la zone de commande sert à améliorer le comportement au du/dt (valeur critique de la vitesse de croissance de la tension , voir DIN 41 786, n 4.5.). Les thyristors connus ne sont amorcés pour la première fois, par un courant de commande circulant entre la borne de commande et l'électrode principale voisine de la zone de commande, que lorsque le courant de commande atteint un seuil de densité de courant izo . Avec cette densité de courant de commande, il n'apparat cependant qu'une con ductibilité localisée de la jonction auparavant bloquante. Il se forme essentiellement une tâche d'amorçage ponctuelle. Ce n'est que si le courant de commande présente une densité de courant izi 7 izo, que le thyristor s'amorce tout le long du pourtour de l'émetteur.Pour des valeurs de densité du courant de commande, comprises entre izo et izi , il se produit un amorçage partiel du thyristor et dans ces conditions, avec des valeurs élevées de la vitesse de croissance du courant di/dt, le thyristor se trouve fortement en danger. On peut réduire le danger présenté par le domaine critique de l'amorçage partiel, entre izo et iz1 zi en conservant l'ordre de grandeur de la largeur de 1' interval- le entre izo et izi > on déplace les valeurs respectives des grandeurs izo et i zi vers des densités de courant plus gran- des, On réduit ainsi le rapport izi/izO et, par conséquent, la valeur relative de la largeur du domaine critique de l'amorçage partiel. L'objet de l'invention consiste dans la réalisation technique des idées exposées ci-dessus. Le problème est résolu par le fait que dans un thyristor du type décrit dans le préambule, oniéalise selon l'invention, le contact entre l'électrode principale et la zone de commande, de telle sorte, que pour les porteurs majoritaires de la zone de commande, on obtient, dans un champ électrique entre le point de contact et l'électrode de commande, un cheminement de liaison qui n'est pas interrompu par la zone émetteur principale. Dans un thyristor, où la zone de commande passe à travers la zone émetteur principale et forme avec celle-ci, sur la face frontale du thyristor une surface commune, que l'on met en contact avec l'électrode principale, et avec l'électrode de commande ; cela signifie que la distance la plus courte de l'électrode de commande à l'électrode principale, est plus petite que la distance la plus courte de l'électrode de commande à la jonction pn entre la zone émetteur principale et la zone de commande. Si la structure du thyristor présente une symétrie de rotation, et que l'électrode de commande est disposée au centre, dans un évidement de l'électrode principale audessus de la zone de commande qui émerge en cet endroit à la surface du thyristor, le diamètre de la partie centrale de la zone de commande à la surface du thyristor est plus grand que le diamètre de l'évidement de l'électrode principale. Concrètement, par conséquent, les structures de thyristor précitées, se distinguent essentiellement en ce que, si on regarde de l'électrode principale vers l'électrode de commande, l'électrode principale déborde de la zone émetteur. Cette disposition technique est en contradiction avec les structures habituelles jusqu'à présent (voir par exemple les textes cités plus haut), où on faisait toujours déborder la zone émetteur par rapport à l'électrode principale, afin de tirer parti "l'effet d'émetteur à champ transversal" (Z. angew. Phys (1965) p. 396). Des détails plus précis sur l'invention découlent des exemples de réalisation expliqués ci-dessous à l'aide des dessins dont les figures représentent respecti vement Fig. 1 la vue partielle d'une coupe transversale d'une structure de thyristor présentant une symétrie de rotation avec électrode de commande centrale, Fig. 2 la vue partielle d'une section transversale d'une structure de thyristor, où l'électrode de commande est prévue sur le pourtour du thyristor, Fig. 3 une structure essentiellement analogue à celle de la figure 1, où cependant, entre l'électrode de commande et l'électrode principale, il est prévu une zone émetteur auxiliaire dont la partie de la jonction pn orientée vers l'électrode principale est court-circuitée, et Fig. 4 une structure essentiellement analogue à celle de la figure 1, dont 4a donne une vue en plan et 4b une vue en coupe transversale, où cependant, la résistance électrique est augmentée, dans la zone de commande, pour les porteurs majoritaires qui s'écoulent de l'électrode de commande vers l'électrode principale. Toutes les structures de thyristors représentées dans les figures 1 à 4, doivent être considérées comme des thyristors triodes, qui bloquent dans le sens inverse et qui sont munis d'une borne de commande du eoté de la cathode. Cependant; l'invention, dans son esprit, peut aussi s'appliquer à d'autres structures telles que des thyristors triodes qui bloquent dans le sens inverse et qui sont munis d'une borne de commande du côté de l'anode, des thyristors conducteurs dans le sens inverse, des thyristors à deux sens de fonctionnement et autres dispositifs analogues. Dans les figures on a représente une électrode principale 1 agissant en tant que cathode, qui établit le contact galvanique avec la face frontale d'un thyristor, qui englobe la zone de commande 2 de conductibilité type p, la ione base 6 de faible conductibilité n, et la zone émetteur principale 5 fortement dopée, du type n. La zone émetteur principale 5 est traversée par la zone de cmmande 2 et forme avec celle-ci sur la face frontale du thyristor, une surface commune. Une telle structure est connue sous le nom de structure à émetteur court-circuité (shorted emitter structure). La zone base c8té anode, de conductibilité p et l'anode elle-même ne sont pas représentées. On amorce la structure au moyen des électrodes de commande 4.On a désigné par K la borne de la cathode et par G la borne de commande. Dans la figure 1 on a représenté un thyristor présentant une symetrie de rotation dont l'électrode principale 1 comporte un évidement où l'on a prévu l'électrode de commande 4. L'électrode de commande 4 est reliée électriquement à la zone de commande 2 par un domaine 10 fortement dopé du type p. L'électrode principale 1 est-aussi en contact galvanique avec la zone de commande 2, en 3. Les thyristors sans le contact galvanique en 3 de l'électrode principale avec la zone de commande 2 présentent l'inconvénient déjà mentionné plus haut, que pour des valeurs relativement faibles de la densité du courant de commande izo et i1 , on obtient respectivement l'amorçage ponctuel ou l'amorçage sur toute la périphérie de l'émetteur. Le contact galvanique en 3 de l'électrode principale 1 avec la zone de commande 2, supprime cet inconvénient par le fait que pour la jonction pn entre la zone de commande 2 et la zone émetteur principale 5, et qui se trouve du coté de l'électrode de commande 4, ce contact galvanique réalise pour le courant de commande un circuit parallèle, et il faut d'abord qu'il passe dans celui-ci un courant appréciable avant que la chute de tension engendrée par ce courant entre les extrémités du circuit parallèle soit suffisamment grande, pour qu'il passe aussi un courant appréciable par le chemin qui va de l'électrode de commande 4 à l'électrode principale 1, agissant comme une diode pspn+ .Comme le courant qui passe par le circuit parallèle est un courant dû uniquement à un effet de trous, qui ne peut apporter aucune contribution à l'amorçage du thyristor, et que l'amorçage du thyristor ne se produit que lorsque le courant électronique de commande passant par la zone émetteur principale 1 est suffisamment grand, il en résulte qu'avec le circuit parallèle en 3, un amorçage du thyristor ne se produit qu'avec des valeurs de courant beaucoup plus élevées que sans le circuit parallèle. Ceci vaut tout aussi bien pour la valeur de seuil de l'amorçage ponctuel que pour l'amorçage total. En définitive, on réduit ainsi 4'une manière tout à fait notable, en valeur relative la largeur du domaine d'amorçage partiel par rapport à la valeur de seuil de l'amorçage ponctuel, tandis qu'en valeur absolue, l'écart entre la valeur de seuil de l'amorçage ponctuel et la valeur correspondant à l'amorçage total n'augmente que faiblement, tout en restant du meme ordre de grandeur que sans le circuit parallèle. Comme on peut le voir dans la figure 1, la distance la plus courte d de l'électrode de commande 4 à l'électrode principale 1 est plus petite que la distance la Flus courte g de l'électrode de commande 4 au point le plus rapproché de la jonction pn de la zone émetteur principale 5, autrement dit, que le diamètre D de la partie centrale de la zone de commande 2 à la surface du thyristor est plus grand que le diamètre de l'évidement de l'électrode principale 1. Ce dimensionnement assure le contact en 3 de l'électrode principale 1 avec la zone de commande 2, et apporte les avantages mentionnés ci-dessus. Le circuit parallèle ne peut avoir d'effet perturbateur sur la propagation de l'amorçage dans 1' élé- ment, car ce circuit parallèle se trouve toujours en dehors du cheminement du front d'amorçage. Par contre, du fait de ce circuit parallèle, les court-circuitages de l'émetteur ("emitter shortings") deviennent inutiles au voisinage du bord (intérieur) de l'émetteur, ce qui améliore encore le comportement au di/dt car on sait que les court-circuitages de l'émetteur situé sur le trajet de propagation -du front d'amorçage gênent la progression de celui-ci. Dans la figure 2, on a représenté un thyristor, qui en soi représente une symétrie de rotation, mais qui présente cependant en un point situé à la périphérie de l'électrode principale 1, un évidement en forme de tache on l'on a disposé l'électrode de commande 4. Egalement avec cette structure, avec une disposition excentrée de l'électrode de commande, an obtient l'effet intéressant expliqué ci-dessus pour la figure 1, de la réduction en valeur relative de la largeur du domaine de l'amorçage partiel, lorsque la condition d L g est respectée, d et g ayant la mdme signification que dans la figure 1. Dans la flgure 3, on a réalisé l'idée de l'invention avec un thyristor à "gachette amplificatrice" (amplifying gate). De tels thyristors sont connus (par exemple brevet allemand 1 589 455 et International Electronic Devices Meeting, Washington DC, oct. 1968, p. 110) Ils renferment un thyristor auxiliaire, dont le courant de charge est constitué par le courant d'amorçage du thyristor principal.Dans le cas de la figure 3, l'émetteur cathode du thyristor auxiliaire est constitué par la zone émetteur auxiliaire 7, dont la jonction pn avec la zone de commande 2, est pontée par un court-circuitage 8 dans sa partie orientée vers l'électrode principale 1. Lorsque l'on applique à a borne de commande G un potentiel positif par rapport à la borne de cathode X, ctest d'abord le thyristor auxiliaire qui s'amorè ce en dessous de la zone émetteur auxiliaire 7, son courant de charge s 'écoulant par le court-circuitage 8 et la zone de commande 2 vers l'électrode cathode principale 4 amorçant ainsi le thyristor principal en dessous de la zone émetteur principale 5. Sans le circuit parallèle en 3, cette structure s' amorcera aussi pour de faibles valeurs de courant pour l'amorçage onctuel et pour l'amorçage total. Avec le circuit parallèle en 3, là aussi, l'amorçage ne se produit que pour des valeurs beaucoup plus élevées de la densité du courant, grâce à quoi on obtient, de la manière décrite plus haut, la réduction désirée en valeur relative de la largeur du domaine critique de l'amorçage partiel, aussi avec la structure à gachette amplificatrice. Le courant-circuitage 8 peut Qtre en liaison avec la zone de commande 2 à travers un domaine fortement dopé du type p. Comme l'instant où apparait un courant dans la partie de la jonction pn entre la zone émetteur principale 5 et la zone de commande 2 tournée vers l'électrode de commande 4 dépend de la chute de tension dans le circuit parallèle constitué en 3, il est judicieux de conférer au cheminement parcouru par les trous dans la zone de commande 2 vers le circuit parallèle en 3, une résistance électrique majorée par rapport à l'environnement. Ceci est obtenu, ainsi qu'on l'a représenté dans la figBre 4, par exemple en disposant en 3, sous l'électrode principale 1, le domaine 9 qui n'est que faiblement dopé, du type p.Grâce à la résistance électrique accrue, on obtient que les valeurs de seuil de la densité de courant d'amorçage n'augmentent pas au-delà de la valeur désirée, faute de quoi la-puissance de commande nécessaire pourrait éventuellement devenir trop grande. La puIssance d'amorçage nécessaire est encore réduite par le fait que le cheminement parcouru par les lacunes, entre le circuit parallèle en 3 et l'électrode de commande 4, présente une longue durée de vie (des porteurs),par exemple supérieure à 0,01 jais. On peut obtenir ainsi une valeur plus petite de la tension électrique nécessaire pour une même valeur de la densité du courant de commande.0n obtient la longue durée de vie désirée,en particulier,en évitant dans le domaine désigné du semi-conducteur, des dopages éventuels avec de l'or (Au). De la vue en plan du thyristor de la fig.4b, représentée dans la fig. 4a, il ressort que les conditions pour le rétrécissement en valeur relative du domaine de l'amorçage partiel, sont réalisées du fait que le diamètre H de 11 évidement central de l'électrode principale 1 est plus petit que le diamb- tre D de la partie centrale de la zone de commande 2 à la surface du thyristor. La distance entre le pourtour extérieur de l'élec- trode de commande 4 et le pourtour intérieur de l'électrode principale 1 ne devrait pas être choisie trop grande,sinon il apparartrait une influence accrue des tolérances de fabrication de ladite distance,sur le comportement au di/dt du thyristor. Le dimensionnement des grandeurs discutées ci-dessus, pressentant uke importance pour la réalisation de l'inven- tion, se détermine en fonction des exigences quant au comportement à l'amorçage.Comme dimensions typiques, on peut indiquer pour le diamètre de l'électrode de commande 4, 0,5 à 5 mm par exempl,pour la largeur du circuit parallèle en 3, g-d, 0,1 à 2ohm, et pour la distance d, 0,1 à 2 mm. Pour les concentrations de dopage, on peut indiquer les valeurs typiques suivantes : pour la zone émetteur principale i,1017 à î020 cm 3 , pour le domaine 17 également 1017 à îo20 cl 3, et pour le domaine 9 enfin, 1015 à 1017 cm'3 Le domaine 9 peut être obtenu par exem plue en prévoyant lors de la diffusion de la zone émetteur principale 5, un masque constitué par une mince couche de SiO2 disposée au-dessus du domaine 9, ce masque interceptant une partie du produit de dopage à diffuser, de manière à obtenir dans le domaine9 une compensation beaucoup plus faible que dans la zone émetteur principale 5 dont il faut inverser le dopage. La couche de Si02 présente une épaisseur d'environ lji , le cas échéant, cette épaisseur peut être un peu plus grande ou un peu plus petite selon la température de diffusion. R E V E N D I C A T I O N S 1. Thyristor avec au moins une borne de commande où en plus du contact galvanique avec la sone émetteur principale extérieure qui lui correspond, 11 électrode principale est également en contact galvanique avec cette zone de commande, caractérisé en ce que l'électrode principale (1) est en contact avec la zone de commande (2) de telle manière que l'on obtient pour les porteurs majoritaires de la zone de commande (2) dans un champ électrique entre la plage de contact (3) et l'électrode de commande (4), un cheminement de liaison qui n'est pas interrompu par la zone émetteur principale (5). 2. Thyristor selon la revendication 1, où la zone de commande passe à travers la zone émetteur principale et forme avec celle-ci, sur la face frontale du thyristor, une surface commune, établissant le contact avec l'électrode principale et avec l'électrode de commande, caractérisé en ce que la distance la plus courte (d) de l'électrode de commande (4) à l'électrode principale (1) est plus petite que la distance la plus courte (g) de l'électrode de commande (4) à la jonction pn entre la zone émetteur principale (5) et la zone de commande (2). 3. Thirostor selon la revendication 2, la structure de celui-ci présentant une symétrie de rotation où l'électrode de commande est disposée au centre dans un évidement de l'électrode principale sur la zone de commande qui en cet endroit émerge à la surface du thyristor, caractérisé en ce que le diamètre (D) de la partie centrale de la zone de commande (2) à la surface du thyristor est plus grand que le diamètre OE) de l'évidement dans ltéléctrode principale (1). 4. Thyristor selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractériséen ce que entre l'électrode de commande (4) et ltélectrode principale (1), il est prévu dans la surface du thyristor une zone (7) agissant en émetteur auxiliaire, du type de conductance opposé à celui de la zone de commande (2), dont la jonction pn formée avec la zone de commande (2) est pontée par un court-circuit (8) dans sa partie qui se trouve du côté de l'électrode principale (1). 5. Thyristor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le domaine du cheminement de liaison pour les porteurs majoritaires de la zone de commande (2), de l'électrode de commande (4) à l'électrode principale (1) cette zone de commande (2) présente une durée de vie plus grande. 6. Thyristor selon la revendication 5, caractérisé en ce que la durée de vie est supérieure à 0,01 jais. 7. Thyristor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le domaine du cheminement de liaison pour les porteurs majoritaires de la zone de commande (2), de l'électrode de commande (4) à l'électrode principale (1), cette zone de commande présente une résistance électrique augmentée. 8. Thyristor selon la revendication 7, caractérisé en ce que la zone de commande (2), dans le domaine dudit cheminement de liaison présente en dessous de l'électro- de principale (1), une concentration de porteurs de charge li bres réduite, comparativement aux autres domaines de la zone de commande (2). 9. Thyristors selon l'une quelconque des revendications 3, 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce qu'avec une distance (d) entre le bord de l'électrode de commande (4) et l'électrode principale (1) de 0,1 à 2 mm, la distance g-d entre le bord de l'évidement dans l'électrode principale (1) et le point le plus rapproché de la jonction pn entre la zone émetteur principale (5) et la zone de commande (2) est également de 0,1 à 2 mm. 10. Méthode pour la fabrication d'un thyristor selon la revendication 8 par diffusionde la zone émetteur principale, caractérisée en ce que dans la zone dudit cheminement de liaison, en dessous de l'électrode émetteur principale (1), la zone de commande (2) est recouverte pendant la diffusion de l'émetteur principal par un masque en Si02 d'une épaisseur de 0,1 à 2 p