Brevet FR2227642A1 — publié le 19741122

L'invention concerne un composant semiconducteur, et plus particulièrement un composant semiconducteur obtenu par diffusion du type plan servant de référence de tension qui est désigné ici de façon générique par le terme "diode Zener En général, un composant semiconducteur. présentant une caractéristique de claquage abrupte et constante en cas dtapplicatiofl d'une tension à ses bornes, est désigné par le terme "diode Zenertr, même si, en fait, le composant ne fonctionne pas selon un véritable mode de claquage Zener. Un véritable claquage Zener par effet tunnel se produit seulement dans une gamme très étroite de basses tensions et a une caractéristique de claquage très instable en fonction des variations de température. Le taux de variation de la caractéristique de claquage est désigné ci-après par le terme "coefficient de température". Certaines diodes Zener à basse tension font usage d'une diode très fortement dopée qui claque effectivement par effet tunnel. Ces diodes présentent une caractéristique de claquage arrondie et non abrupte. Au-dessus de cinq volts, on utilise de façon classique des composants servant de référence de tension å deux ou trois couches qui claquent par un mécanisme d'avalanche et présentent des caractéristiques de claquage relativement abruptes. Par conséquent, en pratique la plupart des composants vendus sous le nom de diode Zener donnent lieu à un claquage par avalanche Cependant, ces derniers composants exigent une certaine forme de compensation en température pour réduire l'effet de leur coefficient de température.Cela se fait habituellement en connectant en série avec les diodes à avalanche des diodes fonctionnant dans le sens passant ayant donc une caractéristique de chute de. tension directe présentant un coefficient de température du signe opposé et compensant ainsi le coefficient de température de la diode Zener elle-même Quand ceci se fait par empilement, il se présente diverses difficultés, comme il est indiqué dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 410 735. Par conséquent, un autre moyen d'arriver à la compensation en température est d'intégrer la diode polarisée dans le sens passant avec la diode fonctionnant en polarisation inverse. Toutefois, même sous cette forme intégrée, il est difficile d'obtenir un coefficient de température rigoureusement nul. Un objet de l'invention concerne donc un composant semiconducteur servant de référence de tension ayant une caractéristique de claquage abrupte à basse tension (2 à 5 volts), tout en ayant un coefficient de température relativement faible. Un autre objet de l'invention concerne un composant haute tension utilisant le même principe quela structure à basse tension ayant un coefficient de température nul. Le dispositif selon l'invention est constitué par un composant comprenant deux électrodes et trois couches dans lequel la région intermédiaire est suffisamment mince et dopée de manière relativement faible, de façon à assurer un fonctionnement en mode de percement par formation d'une région d'appauvrissement entre les deux régions extérieures. Une quatrieme région du même type de conductivité que la région intermédiaire est reliée à l'une desdites électrodes. La région intermédiaire est conçue de façon que le claquage se produise uniquement par percement et non par avalanche et fournisse donc un coefficient de température du signe opposé au coefficient de température d'une diode à avalanche. Par conséquent, dans un montage série avec une diode à avalanche, il est possible de constituer un dispositif ayant un coefficient de température presque nul. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va être donnée d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'un composant servant de référence de tension selon l'invention, - la figure 2 est une représentation graphique de la caractéristique de claquage du composant selon la-figure 1, - la figure 3 est un graphique comparant les coefficients de température de différents composants, - la figure-4 est un schéma d'un dispositif haute tension compensé en température, selon l'art antérieur, - la figure 5 est un schéma d'un dispositif haute tension selon l'invention. Comme le montre la figure 1, le composant 10 comprend une première, une deuxième et une troisième région qui sont en fait du même type que dans un transistor et pour cette raison peuvent être désignées comme émetteur 13, base 12 et collecteur 11, respectivement. C'est-a-dire que le composant ou structure peut être considéré comme un transistor à base épitaxiale dans lequel l'électrode de base a été éliminée. Le mécanisme de principe pour provoquer un claquage par percement-avant le claquage par avalanche dans un transistor réside dans le réglage de la largeur de la région debaseentre l'émetteur et le collecteur et -dans le réglage de la concentration d'impuretés dans la région de la base du transistor placéesous l'émetteur. La région de base entre l!émetteur et le collecteur est appelée "région active". En général, quand la largeur de IL région active et la concentration dtimpuretés de la base sont réduites en même temps, le percement peut être obtenu avant le claquage par avalanche et à l'exclusion de ce dernier.L'apparition du claquage par percement avant le claquage par avalanche est avantageuse parce qu'une fois que le claquage par percement s'est produit, le claquage par avalanche est empêché par un processus d'auto-limitation, et on peut faire apparaitre le claquage par percement de façon stable à des tensions inférieures à la tension d'apparition du claquage par avalanche. Cela est donc avantageux pour la réalisation d'une diode Zener à basse tension. On voit sur la figure I un transistor 10 ayant une région N de collecteur 1I, une région de base 12 et une région Nf d'émetteur 13. Le contact avec la région N+ 13 est réalisé par ltélectrode 17, et le contact avec la région N il est réalisé. par l'électrode 18. I1 n'y a pas d'électrode pour la région intermédiaire 12, et par conséquent le composant est un composant à deux électrodes fonctionnant en diode Zener. Gomme on l'a mentionné ci-dessus > deux types de claquage peuvent se produire à travers la région de base 12, selon la largeur et le niveau de dopage de cette région. Le claquage par avalanche se produira pour une intensité de champ particulièresurlajonction collecteur-base J-l. Le claquage par avalanche se produit sur la jonction collecteur-base J-1 et progresse en un cône étroit vers la région d'émetteur 13. Le courant sort alors de la région d'émetteur 13 par le contact 7 quis dans ce cas, est connecté à la masse. D'autre part, le claquage par percement se produit dans la région d'appauvrissement qui s'élargit comme il est montré par les lignes en tirets 25. La région d'appauvrissement prend naissance sur la jonction collecteur-base et s'étend à la fois dans la région de base -et dans la région de collecteur. Le claquage par percement se produit quand le champ électrique sur la jonction émetteur-base 5-2 devient positif. Cela correspond à un champ donné sur J-1 et à l'extension de la région d'appauvrissement jusqu'd la jonction émetteur-base J-2. En modifiant la concentration normale dtimpuretés de la base ainsi que la distance entre les jonctions J-1 et J-2, il est possible de provoquer le claquage par percement avec un champ électrique en J-I inférieur au champ électrique en J-1 qui provoque le claquage par avalanche. Le composant l0a une région de dérivation 19 de faible résistivité ayant la même conductivité que la région de base, en contact ohmique avec ltélectrode 17, de sorte que dans le sens passant le composant 10 agit comme une diode ordinaire. La région 19 peut avantageusement entourer l'émetteur 13 comme il est montré, pour assurer une distribution de courant symetrique quand la diode 10 fonctionne dans le sens passant. Le transistor 10 fonctionnant avec les deux électrodes 17 et 18 connectées respectivement à la masse et à une tension positive +V se comporte en composant basse tension à coude aigu à cause du claquage par percement de la région d'appauvrissement. La région P+ 19 entourant l'émetteur 13 fait fonctionner le transistor comme une diode ordinaire quand les polarités des contacts 17 et 18 sont inversées. Cette caractéristique du composant 10 est illustrée dans la figure 2 où la courbe I-V montre le claquage de la diode P+ - P - N dans le sens direct en 21, et le claquage de la diodeZener basse tension N+ - P - N, ou claquage par percement en 22.Selon la distance entrela jonction émetteur-base et la jonction collecteur-base et la résistivité de la région de base, le percement se produira à des tensions différentes, comme il est indiqué par les courbes 22 à 24. Par exemple, avec une région de base d'une largeur de 2 microns, d'une résistivité de 7a -cm, le percement se produira à environ 2 volts comme il est indiqué par la courbe 22. Si la base est légèrement plus épaisse, la tension de claquage sera légèrement plus élevée, de l'ordre de 3 ou 4 volts, comme il est illustré par les courbes 23 et 24.De plus, la résistance du composant sers limitée par la résistance de charge d'espace de la couche épitaxiale formant la région de base 12, et ce composant opérera dans le mode Zener comme un composant à résistance relativement faible, par exemple inférieure à 30 ohms sous 20 milliamperes, ce qui correspond aux caractéristiques classiques d'une diode Zener. On notera que, contrairement, au cas de la figure, le transistor peut être aussi bien un transistor PNP. Ce type de transistor peut meme être préféré dans le cas d'une structure en circuit intégré où on utilise des diffusions d'isolement N+. Si des diffusions d'isolement N+ sont utilisées dans le circuit intégré, on notera qu'il se formera un transistor parasite par les diffusions d'émetteur, de base et d'isolement. Par conséquent, Si l'émetteur était du type P+, une structure qui réaliserait un isolement par une jonction de diode ordinaire polarisée en inverse pourrait & re préférable. Le transistor 10 fonctionnant comme une diode Zener en mode de percement a un coefficient de température négatif de la tension de claquage, comme il est indiqué sur la figure 3 par la courbe VPT Par conséquent, en plus de son utilité comme diode Zener à basse tension, ce composant possede de grands avantages du point de vue de la fabrication de diodes Zener à coefficient de température nul pour les applications à haute tension. Le coefficient de température positif de la diode Zener ordinaire est indiqué par la courbe VAV, où la diode fonctionne en avalanche. Bien que ltéchelle soit arbitraire, on notera que le coefficient de température de la tension de claquage des composants fonctionnant par avalanche a une pente très raide par rapport à la tension. Habituellement,on compense la diode Zener à avalanche en la mettant en série avec des diodes polarisées dans le sens passant, dont la chute de tension directe a un coefficient de température négatif qui peut être utilisé pour compenser le coefficient de température positif de la diode à avalanche. Toutefois, la pente de la courbe VFD par rapport à la tension est relativement faible, de sorte que pour compenser en température des diodes Zener à haute tension (par exemple 20 à 30 volts), il faut employer un grand nombre de chutes de tension directes pour compenser la pente raide du coefficient de température du composant à avalanche. Cependant, selon l'invention, le transistor 10 fonctionnant en percement a un coefficient de température de la tension de claquage qui, tout en n'ayant pas une pente aussi grande dans le sens négatif que la pente positive de la courbe d'avalanche, est nettement plus grand que le coefficient de température 'de la chute de tension d'une diode polarisée dans le sens passant. Par conséquent, alors qu'une diode Zener compensée en température peut exiger cinq ou six diodes polarisées dans le sens passant pour compenser le coefficient de température de la diode Zener à avalanche, une diode Zener à avalanche et une diode Zener à percement peuvent être convenablement combinées en série pour obtenir des structures de diodes Zener à haute tension à coefficient de température nul avec seulement deux puces. Les structures comparatives mentionnées ci-dassus sont montrées schématiquement dans les figures 4 et 5. Sur la figure 4, correspondant à l'art antérieur, on voit une diode Zener d'environ 12 volts, 31, compensée en température par trois diodes 32 polarisées dans le sens passant. D'autre part, comme il est montré sur la figure 5, en accord avec la présente invention, une diode Zener haute tension à coefficient de température nul peut être réalisée en connectant une diode à percement 10 avec une diode Zener à avalanche 31 de façon à obtenir un dispositif fournissant une tension de référence de 30 volts compensée en température. a L'invention a été décrite en se référant à un exemple de réalisation non limitatif, mais il est bien entendu que diverses modifications peuvent lui être apportées sans sortir de son cadre. R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1. Dispositif à semiconducteurs servant de référence de tension, comportant une première et une seconde région d'un premier type de conductivité, une troisième région du type de conductivité opposé située entre lesdites première et seconde régions, et des électrodes connectées auxdites première et seconde 'régions, caractérisé en ce que ladite troisième région est faiblement dopée de façon à être le siège d'un claquage par percement et non d'un claquage par avalanche. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une quatrième région du mdme type de conductivité que ladite troisième région, reliée par un contact -ohmique à l'une desdites électrodes. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite quatrième région entoure l'une desdites première ou seconde régions. 4. Dispositif à semiconducteurs servant de référence de tension et comportant une compensation en température, faisant application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est constitué par la connexion en série d'un dispositif présentant une tension de claquage ayant un coefficient de température positif et d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dont la tension de claquage possède un coefficient de température négatif.