Brevet FR2204895A1 — publié le 19740524

La présente invention concerne un thyristor comportant un corps semi-conducteur en silicium possédant au moins quatre zones ayant des types de conductivité différents, une première zone d'émetteur, une première zone de base, une seconde zone de base et une seconde zone d'émetteur, tandis que des atomes d'or sontincoqxrés dans le corps semi-conducteur, ledit thyristor possédant une électrode de commande située sur la première zone de base et une première électrode d'émetteur située sur la première zone d'émetteur ainsi qu'une seconde électrode d'émetteur sur la seconde zone d'émetteur. les ttyristors, dont les corps semi-conducteurs sont dopés avec de l'or, sont connus sous l'appellation de "thyristors de ccmïzutation rapides". Les thyristors de commutation rapides possèdent de faibles temps de récupération et sont utilisés de préférence dans des circuits-dénomnXs "circuits choppers" (c'est-à- dire circuits de découpage). Les atomes d'or présents dans le corps semi-conducteur forment des centres de recombinaison pour les couples libres de porteurs de charges présents dans le corps semi-conducteur.Le courant dfl aux couples libres de porteurs de charges et continuant à s'écouler après le blocage du thyristor, ou Le courant inverse s'écoulant en sens inverse après l'applics- tion d'une tension disparaît de ce fait très rapidement. Un exemple d'utilisation particulier d'un circuit chopper est le cas des appareils à flash électronique commandés par un flux de lumière. Ces appareils comportent essentiellement un condensateur possédant une capacité élevée qui se décharge par l'intermédiaire d'un tube flash et d'un thyristor. Si une impulsion de corrmànde est appliquée au thyristor, un courant s'écoule à travers le tube flash. Sa lumière est projetée sur l'objet devant être éclairé, qui réfléchit une partie déterminée de la lumière émise, qui est fonction de l'éloignement dudit objet et du facteur de réflexion.La lumière réfléchie est captée par une cellule pitnéctrique . Si une quantité de lumière déterminée a été émise, le tube flash doit à nouveau titre éteint. Cela se produit par blocage du thyristor mentionné. Ce dernier est de son c8té éteint par le courant de décharge d'un second condensateur. En série avec le second condensateur est disposé un thyristor d'extinction qui est branché de telle manière que le courant de décharge du second condqnsateur traverse dans le sens inverse le premier thyristor Ce courant de décharge doit entre supérieur an courant du flash. Il doit en outre être maintenu pendant un certain temps qui est au moins aussi long que le temps de récupération du premier thyristor. Si cette condition est respectée, le thyristor passe alors à ltétat d'impédence élevée dans le sens passant. Dans les appareils modernes à flash, commandés par un flux de lumière, des exigences élevées sont imposées au premier thyristor. Ainsi le thyristor est tout d'abord soumis à une charge brusque élevée en courant comprise entre 300 et 400 A. Pour une tension du condensateur voisine de 400 V la puissance dissipée maximale se situe au-dessus de 1 kW tandis que la puissance de commutation se situe au-dessus de 100 kW. Ces puissances pouvalent être mattri jusqu'à présent aisément avec des thyristors classiques. Dans les appareils les plus modernes à flash lumineux on désire cependant que la durée entre les flashes soit égale à une seconde et moins.En outre il faut que l'énergie nécessaire pour l'extinction du premier thyristor soit aussi faible que possible étant donné que pour le condensateur d'extinction on ne peut pas en général utiliser un condensateur éLectrolytique . Le condensateur d'extinction ne peut donc avoir une capacité supérieure à 5 et 10/ut. Cependant le courant de décharge du condensateur d'extinction doit 8trie supérieur à la valeur crete du courant de flash s'écoulant à travers le premier thyristor. Cela signifie toutefois, dans les circuits usuels, que le courant d'extinction est disponible au maximum pendant 10/us. Pendant ce temps le premier thyristor doit etre éteint.Cela signifie que pour le thyristor indiqué on exige des temps de récupération inférieurs à 10 8, par exemple 7pi. On saitd'#.#t. paru que le temps de récupération d'un thy- ristor croit lorsque la température de la couche d'arrêt augmente. La raison de ce phénomène réside dans le fait que l'équilibre pro duction de couples de porteurs de charges-recombinaison est fortement déplacé à haute température dans le sens de la production de couples de porteurs de charges. De ce fait le temps de récupération du thyristor tend vers des valeurs supérieures. A cela s'ajoute encore comme condition compliquant particulièrement les choses, le fait qu'aucune place n'est présente pour un élément de refroidissement dens les petits appareils modernes à flash commandé par un flux de lumière. Le thyristor doit également être aussi petit que possible. La présente invention a pour but de fournir un thyristor du type mentionné plus haut, tel qu'il puisse Autre éteint de fa çon sûre et même dans le cas d'une succession de flashes très rapprochés avec l'énergie qui est contenue dans un condensateur de faible capacité, dans toutes les conditions de fonctionnement et ce également lorsqu'aucun élément de refroidissement ne peut Rtre utilisé. L'inventicn est caractérisée par le fait que le corps semi-conducteur possède une épaisseur comprise entre 150 et 200 , que la seconde zone de base possède une épaisseur comprise entrc 70 et 110 r et possède une résistance spécifique d'une valeur supérieure à 6 ohms-cm, que la concentration maximale de dopage de la première zone de base est comprise entre 1018 et 1019 cm-3 et que la concentration marginale de la première zone d'émetteur est comprise entre le 5 x 1C19 et 5 x 1C20 cm-3, qu'un nombre d'atomes d'or compris entre 1014 et et1015 atomes cm 3 est incorporé dans la seconde zone de base, tandis qu'à la première et à la seconde électrode d'émetteur est reliée une couche métallique ou un disque métallique, qui possède une épaisseur au moins égale à celle du corps semi-conducteur. De façon appropriée on peut réunir un disque en argent, en cuitre, en fer ou en un autre métal 'bon conducteur, par alliage ou par soudure, aux électrodes d'émetteur. Il est avantageux de déposer une couche de métal de soudure sur la première électrode émetteur et sur l'électrode de commande.Cette couche peut avoir une épaisseur voisine de 3001u. On peut fabriquer un thyristor possédant une ccuche métallique sur la première électrode d'émetteur, après le dopage du corps semi-conducteur, en déposant une pastille unique de métal de soudure sur la première électrode d'émetteu- et sur l'électrode de commande, cette pastille comportant des ouvertures qui laissent partiellement à nu la surface comprise entre l'électrode de commande et L'électrode d'ét- teur de telle manière que la partie de la pastille, située sur l'électrode d'émetteur et sur l'électrode de commande, est cons tituée uniquement par la réunion d'étroites bandeq et en chauffant la pastille à la température de fusion. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré sché matiquement aux dessins annexés deux formes de réalisations du dispositif suivant l'invention. La figure 1 représente le schéma de principe d'un appareil à flash électronique, commandé par un flux de lumière. La figure 2 représente une vue en perspective d'un composant à semi-conducteurs conforme à un premier exemple de réa irisation. La figure 3 représente la coupe transversale du mEme élément à semi-conducteurs. La figure 4 représente la vue en plan d'un élément à semi-conducteurs, sur lequel est déposée une pastille en métal de soudure avant l'opération de chauffage. La figure 5 représente la vue en perspective d'un élément à semi-conducteurs conforme à un autre exemple de réalisation. Le circuit du schéma de principe de la figure I est constitué essentiellement par un thyristor 1 qui est relié par l'intermédiaire d'un tube flash 2 à un condensateur électrolytique 3. Ce dernier est chargé à environ 400 V au moyen des bornes 4 et 5. Un circuit-série constitué par un condensateur d'extinction 6 et un thyristor d'extinction i, est monté en parallèle avec le thyristor 1. Les résistances du circuit d'extinction sont symbolisées par une résistance 8. Si un flash doit être déclenché, le thyristor 1 est commandé de façon à être passant. De ce fait la presque totalité de la tension du condensateur 3, chargé par l'intermédiaire des bornes 4 et 5, est appliquée au tube flash 2 qui est alors allumé. Si l'objet devant être éclairé a réfléchi une quantité de lumière déterminée, le thyristor d'extinction 7 est allumé par l'intermédiaire d'un dispositif photosensible non représenté ici. Le courant de décharge du condensateur d'extinction 6 s'écoule en sens inverse du courant de décharge du cndensateur 3 à travers le thyristor 1. Le thyristor 1 passe à l'état d'impédance élevée lorsque le courant du condensateur d'extinction est supérieur au courant traversant le thyristor 1 et s'écoule pendant une durée supérieure au temps de récupération du premier thyristor Le courant d'extinction n'est disponible, comme déJà mentionné, que pendant environ 10 lus. Le temps de récupération du thyristor 1 doit donc être sensibledtnt plus petit que 10/15 > c'est-à-dire etre égal par exemple à 7/us. L'élément à semi-conducteurs représenté en figure 2 est constitué essentielkment par un corps semi-conducteur 10 comportant une première zone d'émetteur ll, une première zone de base 12, une seconde zone de base 13, et une seconde zone d'émetteur 14. La première zone d'émetteur 11 comporte une couche métallique 17 qui est reliée par une électrode d'alimentation 19. La première zone de base 12 comporte, au centre du corps semi-conducteur 10, une couche métallique 16 et qui est reliée à une électrode d'alimentation 18. La seconde zone d'émetteur 14 est munie d'une pastille métallique 15 qui comporte une électrode d'alimentation 20. Les zone 11, 12, 14 sont en outre munies d'électrodes qui ne sont pas rtprésentées sur la figure 2 pour conserver la clarté du dessin. L'épaisseur du corps semi-conducteur qui est constitué en silicium, posséde une valeur comprise entre 150 et 200 . La seconde base qui est dopée du type n, possède une épaisseur comprise entre 70 et 110p et possède une résistance spécifique supérieure à 6 ohms-cm et est égale de façon appropriée à une valeur comprise entre 10 et 16 ohms-cm. La seconde base 12 et le second émetteur 14 sont dopés du type p et comportent à leur périphérie une concentration de dopage comprise entre 5 x 1018 et 1 x 1019 cl 3. Le dopage de ces zones s'effectue de façon appropriée à l'aide d'une diffusion de bore et d'aluminium dans une ampoule.Le bore est déposé de façon connue sur la surface du corps semi-conducteur et pénètre par diffusion dans le corps semi-conducteur à environ 12000C pendant une durée comprise entree20 et 25 heures. La première zone d'émetteur 11 comporte une concentration marginale le comprise entre 5 x 1019 et 5 x 1020,égale de préférence à 1 x 102 cm . Le dopage de cette zone s'effectue à l'aide de la diffusion connue de phosphore. Pour cela on réalise d'abord par oxydation de la surface de silicium suivie d'une attaque chimique, un masque qui recouvre une ouverture centrale pour l'électrode de commande 16. Ensuite la face supérieure du corps semi-conducteur 10 est recouverte de phosphore, ce qui peut titre réalisé par exem plesà l'aide d'oxychlorure de phosphore POU19 à 11500C.Au bout d'environ 1 à 2 heures de dépit de phosphore, on obtient une catche suffisamment épaisse de phosphore à la surface du corps semi-con Jucteur. On fait ensuite pénétrer par diffusion le phosphore dans le corps semi-conducteur 10 pendant environ 10 heures à une tempErature voisine de 12000C. Ensuite la première zone d'émetteur 11, la première zone de base 12 au centre de la première zone d'émetteur il et la se condes zone d'émetteur 14 sont pourvues d'électrodes. Ces derniàrei sont désignées en figure 3 par les références 21, 22 et 28. La figure 3 représente une coupe du dispositif de la figure 2. Les électrodes sont réalisées de préférence par nickelage. Ensuite la couche de nickel est revêtue d'or. Une couche d'or possé- dant une épaisseur inférieure à Iju est suffisante. Après ce dép8t d'or, on dépose sur la première zone d'émetteur 11 une pastille d'un métal de soudure qui est constitué par exemple par 98 % de plomb et par 2 % d'étain.L'élément à semi-conducteu#est alors chauffé à 3200C ; la pastille de soudure fond alors et il se forme une couche métallique 17 en forme de traversin. L'épaisseur de la couche métallique doit être au moins égale à ltépais- seur du corps semi-conducteur, c'est-à-dire titre égale au moins à 150 , mais peut cependant être amenée avantageusement par exemple à 300 /u. La couche de soudure 17 agit à la façon d'une capacité calorifiquepour le corps semi-conducteur et évacue très rapidement la chaleur hors du corps semi-conducteur.Grâce à cela et à l'aide d'une tension directe faible résultant de la détermination des autres paramiètres, il est possible de maintenir la température de la couche d'arrêt, mtme pour des fréquences de récurrence d'impulsions de l'ordre de 1 s et moins, suffisamment faible pour que le temps de récupération du thyristor soit inférieur à 10/use et soit égal par exemple à 7/us. L'évacuation de chaleur hors du corps semi-conducteur est figurée par la pastille métallique 15. A titre d'explication on insiste sur le fait que l'épaisseur du corps semi-conducteur 10 est représente à une échelle très importante par rapport à l'épaisseur de la couche métallique V pour une meilleure vue d'ensemble. Il est possible de munir la pastille de soudure d'une ouverture afin que l'électrode de commande 22 reste à nu. Il faut alors déposer séparément sur l'électrode d'alimentation 18 (figure 2) un matériau de soudure en vue de réaliser la soudure de ladite électrode d'alimentation. Cela est relativement compliqué. Il s'est avéré approprié d'utiliser une pastille de soudure conformée de façon particulière et qui est représentée en figure 4. Les éléments semblables à ceux des figures 2 et 3 sont ici munis des mêmes chiffres de référence. Sur le corps semi-conducteur 10 est place une pastille de soudure 25 qui est munie d'ouvertures 26. Ces ouvertures laissent à nu une grande partie de la surface comprise entre l'électrode de commande 22 et l'électrode d'émetteur 21 de sorte que la première zone de base 12 apparat ici en surface.Les parties de la pastille de soudure 25 situées sur les électrodes 21 et 22, ne sont réunies que par des bandes étroites 27. Lorsque la pastille de soudure 25 est chauffée à la tempérsture de fusion, la soudure se sépare au niveau des bandes 27 à cause de sa tension superficielle et se retire sur les électrodes 21 et 22. Les couches métalliques 16 et 17 prennent une forme cintrée bombée comme représenté en figure 3. Au lieu d'une pastille de soudure on peut également déposer sur le corps semi-conducteur 10 une pastille métallique solide constituée par l'un des métaux tels que l'argent, le cuivre, le fer ou tout autre métal bon conducteur . Un tel exemple de réalisation est représenté en figure 5. La pastille métallique est ici désignée par la référence 23. L'électrode dlalimentation 19 est fixée à l'aide d'une soudure 24 à la pastille métallique 23. REVENDICATION 1 - Thyristor comportant un corps semi conducteur en si- licium possédant au m;,ins quatre zones ayant destypesde conductivité différents, une première zone d'émetteur, une première ZG- ne de base, une seconde zone de base et une seconde zone d'émetteur, tandis que des atomes d'or sont incorpoos dans le corps semi conducteur, ledit thyristor possédant une électrode de #.'#rnnande située sur la première zone de base et une première électrode d'émetteur située sur la première zone d'émetteur ainsi qu'une seconde électrode d'émetteur sur la seconde zone d'émetteur, caractérisé par le fait que le corps semi-conducteur (10) possède une épaisseur comprise entre 150 et 200 , que la seconde zone de base (13) possède une épaisseur comprise entre 70 et 100/u et pus- sède une résistance spécifique d'une valeur supérieure à 6 ohmscm, que la concentration maximale de dopage de la première zone de base (12) est comprise entre 1018 et 1019 cm 3 et que la concentration marginale de la première zone d'émetteur (11) est comprise entre le 5 x tic19 et 5 x 1020 cm-3, qu'un nombre d'atomes d'or compris entre 1014 et 1015 atomes cm 3 est incorporédans la seconde zone de base, tandis qu'à la première (11) et à la secunde électrode (14) d'émetteur est reliée une couche métalLique (17 ; 15) ou un disque métallique, qui possède une épaisseur au moins égale à celle du corps semi conducteur (10). 2 - Thyristor suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un disque (23, 15) en argent, en cuivre, en fer ou en autre métal bon conducteur est relié par alliage ou par soudure, au électrodes d'émetteur (21, 28). 3 - Thyristor suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'on dépose une couche de métal de soudure sur la première électrode d'émetteur (21) et sur l'électrode de commancje (22). 4 - Thyristor suivant la revendicati n 3 caractérisé par le fait que la couche possède une épaisseur de 300 . 5 - Procédé pjur fabriquer un thyristur suivant la revendication 1, avec une couche métallique sur la première électrode d'émetteur, caractérisé par le fait qu'après le dopage du corps semiVconducteur, et après le dépôt de la première électrode d'émetteur (21) et de l'électrode de cormr#nde (22), on dépose une pastille unique (25) de métal de soudure sur ces électrodes, que cette pastille comporte des ouvertures (26) qui laissent partie 1- lement à nu la surface comprise entre l'électrode de commande (22) et l'électrode d'émetteur (21) de telle manière que la partie de la pastille, située sur l'électrode d'émetteur et sur l'électrode de commande, est constituée uniquement par la réunion d'étroites bandes (27) et qu'on chauffe la pastille à la température de fusion.