Brevet FR2254107A1 — publié le 19750704

La présente invention concerne un thyristor doté de bonnes caractéristiques pour ce qui est de résister, à l'état de blocage, à une tension de blocage qui croit rapidement, sans se il ilseproduise un allumage ou amorçage du thyristor. On sait qu une montée rapide de la tension de blocage peut être la cause pour laquelle un thyristor à l'état bloqué est amorcé. De semblables élévations rapides peuvent être provoquées par des surtensions transitoires sur le réseau auquel le thyristor est raccordé. En règle générale, il est extremement important d'éviter desyllumages intempestifs et, en conséquence, ltaptitude d'un thyristor à pouvoir résister, sans qu il s'amoree, à une tension de blocage qui s'élève rapidement (qualifiée de résistance dU/dt), est une caractéristique importante de ce thy rist or. A l'état de blocage positif dans le cas d'un thyristor ordinaire à quatre couches et trois jonctions PN, la jonction médiane est soumise à une tension de polarisation dans le sens du blocage. Lorsque la tension de blocage s1 élève, un courant capaci- tif passe à travers cette jonction. Ce courant passe également à travers les deux jonctions extérieures où il donne lieu à une injection de porteurs de charge en provenance des deux couches extérieures, ctest-à-dire les couches d'émetteur. La grandeur du courant dépend de la vitesse de montée de la tension de blocage et si celle-ci est suffisamment élevée, le courant et, par suite, l'injection sont suffisantes pour que le thyristor soit amorcé. L'invention est basée sur la constatation que, même dans le cas d'une jonction PN non polarisée, il existe une charge dtespace des deux côtés de la jonction. Cette charge d'espace se modifie lorsqu t une tension est appliquée dans le sens de conduction à une jonction PN non polarisée et que celle-ci devient donc conductrice du courant. Une certaine quantité de charge est nécessaire pour cette modification de charge. La zone de charge d'espace au niveau de la jonction peut être considérée, de même que pour toutes les jonctions PN, comme une capacité qui, pour que la jonction devienne conductrice, doit être chargée à un potentiel qui correspond à la chute de tension de passage à travers la jonction.La capacité d'une jonction PN est essentiellement déterminée, en dehors de sa section, par la concentration, à capoté de la jonc tion, des impuretés de celle des deux couches de part et d'autre de la jonction qui est le plus faiblement dopée, et elle augmente avec la concentration croissante de cette couche.Plus la concentration d'une couche est élevée, plus grandes sont la capacité et, par suite, la quantité de charge qui est nécessaire pour qu'une jonction non polarisée le devienne dans le sens de con diction Dans un thyristor, ce sont le plus souvent les conditions au niveau de l'une des deux jonctions extérieures PN qui dominent en ce qui concerne l'influence sur l'allumage du thyristor et, dans le cas d'un thyristor tridonction, c'est ordinairement la jonction N+P entre la couche émetteur N et la couche P de base. Par une augmentation de la concentration en impuretés de la couche P de base à proximité de la jonction, il faudrait donc pouvoir accrottre la quantité de charge nécessaire pour la modification de charge de la jonction vers l'état passant, ce qui signifierait que le thyristor pourrait résister sans allumage à des tensions transitoires plus brusques pendant un certain temps ou à un certain gradient de tension pendant un temps plus prolongé. Toutefois, il n'est pas possible d'augmenter tout simplement la concentration de la couche P de base, car celle-ci est forcément déterminée en tenant compte d'un certain nombre d'autres exigences relatives au thyristor, notamment sa rigidité diélectrique, la chute de tension de conduction et les caractéristiques d'allumage. On connaet, d'après le brevet américain n0 3 641 40D, un thyristor dans lequel certaines parties de la couche située à côté de la jonction d'émetteur sont dopées assez fortement pour être dégénérées.De la sorte3 on obtient une meilleure résistance dU/dt. En raison du degré élevé de dopage des couches à côté desdites parties de la jonction PN, le rendement d'injection de la jonction est toutefois faible, même avec la densité de courant élevée qui règne lorsque le thyristor se trouve à l'état passant. Cela donne inévitablement lieu à une perte de section efficace du cristal, ce qui diminue la puissance transmissible à travers le thyristor. L'invention a pour but de résoudre ce problème. A cet effet, l'invention fournit un thyristor comprenant une couche d'émetteur située au niveau de l'une des surfaces du corps semiconducteur et une couche de base située à côté de celleci, ces couches ayant des types de conductivité opposés et formant entre elles une jonction PN, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs zones partielles réparties sur la jonction PN, en ce que la valeur de la concentration en impuretés de la couche de base à côté de la jonction PN s'écarte, dans ces zones, de la valeur de la concentration en impureté ans les parties de cette couche de base qui se trouvent en dehors desdites zones partielles, et en ce que la concentration en impuretés de la partie de la couche de base voisine de la Jonction PN qui a la plus forte concentration en impuretés est suffisamment faible pour que cette partie de la couche de base ne soit pas dégénérée. L'invention sera ci-après décrite de façon plus détaillée en référence aux figures 1 à 4 des dessins annexés qui illustrent quatre formes de réalisation possibles d'un thyristor trijonction selon l'invention. Dans les formes de réalisation représentées sur les fi gures la, lb oà 3a, > , la couche P de base a une concentration qui décret vers l'intérieur à partir de la surface, et la forme géométrique de la jonction N P est telle que l'on obtienne des zones partielles à concentration différente en impuretés dans la couche P de base à côté de la jonction. Dans la forme de réalisation représentée sur les figures 4a et bb, la jonction N+P est essentiellement plane et on a obtenu les zones à concentration différente en impuretés par un dopage différent de la couche P de base dans ces zones.# Les figures la et lb représentent un thyristor PNPN selon l'invention. La figure la est une coupe de ce thyristor et la figure lb le représente, vu de côté de la cathode. Comme dthabi- tude, le thyristor a la forme d'un disque circulaire dont l'épais- seur a été fortement exagérée sur les figures pour plus de clarté. La matière de départ est le silicium à faible dopage N et elle constitue la couche N de base 3. La couche P de base 2 et la couche P d'émetteur 4 sont produites par diffusion d'une impureté de dopage P à travers les deux surfaces du disque.La concentration en impuretés de ces couches diminue de la surface vers l'in térieur. L'impureté peut être du gallium, du bore, une autre substance de dopage P ou une combinaison de deux ou de plusieurs de ces matières. Du côté de la cathode, la couche N+ d'émetteur 1 est produite par alliage d'une feuille mince d'or-antimoine. La partie tallique 5 de la feuille mince qui reste après l'al liane constitue la borne de cathode. Du côté de l'anodes le thynister est muni d'un muni d'un d'un contact métallique 6, par-exemple une L : le mince d'aluminium alliée qu constitue la borne d'anode du thyristor. va couche ? de base 2 peut être munie, de façon connue en soi, d'une électrode de commande pgur l'amorçage du thyristor. Le front de la couche Irf émetteur 1, c'est-à-dire la surface de celle-ci qui est dirigée vers la couche P de base 2, est façonnée de sorte que la couche d'émetteur cemporte un certain nombre d# renfoncements 7. A des fins d'explication, on n'a représenté schématiquement sur la figure que quelques-uns de ces renfoncements. Les renfoncements ont un diamètre de l'ordre de la centaine de microns, par exemple de 100 Ils sont répartis uniformément sur le front de la couche N+ d'émetteur et la dis tance -de centre à centre entre des renfoncements voisins est approximativement le double de leur diamètre. La profondeur des renfoncements ("a" sur la figure la) s'élève à 15 environ. La majeure partie de la jonction PN se trouve à une profondeur de 70 P environ au-dessous de la surface du disque ("b" sur la figure la), où la concentration en puretés de la couche P 2 est de 1016 atomes/cm3 environ. Aux "fonds" des renfoncements, c'est-à-dire à la profondeur b - a = 70 - 15 = 55 > u, la concentration de la couche P est de 1017 atomes/cp environ. En raison de la concentration nettement plus élevée en impuretés que présente la couche P 2 au niveau des fonds des renfoncements, la capacité par unité de surface de la jonction PN est beaucoup plus grande à cet endroit que dans la majeure partie de la jonc- tion, située à la profondeur "b". De cette manière, on obtient une augmentation notable de la capacité totale de la jonction,en comparaison de ce qu'elle serait si la jonction était plane et située à la profondeur "b". L'augmentation de la surface de la jonction, due à la présence des renfoncements, contribue également à l'accroissement de la capacité. Comme on l'a expliqué ci-dessus, cet accroissement de la capacité de la jonction se traduit par une augmentation de la résistance dU/dt du thyristor. Il s'est avéré que le thyristor selon l'invention possède à cet égard des caractéristiques nettement amélIorées3 sans qu'il en résulte un amoindrissement des autres caractéristiques. Etant donné que la surface totale de la jonction d' é#etteur intervient activement, à ltétat passant, par un rendement d'injection élevé, la puissance transmissible par le thyristor est bonne et elle est pratiquement aussi élevée que dans le cas d'un thyristor classique à jonction d'émetteur plane et homogène. On peut obtenir la forme voulue de la jonction N P du thyristor de la figure 1 en pratiquant avant l'alliage, dans la feuille mince d'or-antimoine qui est alliée pour former la couche N+ d'émetteur 1 et le contact cathodIque 5, des ren~once- ments qui présentent une grandeur, une profondeur et une distri- but ion qui correspondent à la forme voulue du front de la couche N d'émetteur 1 dans le thyristor fini. Les renfoncements peuvent Aetre par exemple formés par gravure de la feuille mince, en masquant les parties qui se trouvent entre les renfoncements. Les renfoncements du front de l'émetteur N dans le thyristor fini peuvent avoir un diamètre compris entre quelques microns et quelques centaines de microns, par exemple entre 3 et 300 ji. Leur profondeur peut être choisie entre quelques microns et quelques dizaines de microns,par exemple entre 5 et 50 #, ce qui dépend entre autres de l'épaisseur de la couche P de base 2, du gradient de concentration dans cette couche et du degré voulu de résistance dU/dt. De même, la "densité de renfoncements't, c'est-à-dire le nombre de renfoncements par unité de surface, peut être choisie en fonction du résultat voulu. Il n'est évidemment pas nécessaire que les renfoncements soient circulaires : ils peuvent avoir n'importe quelle forme. Dans les variantes maintenant décrites d'un thyristor selon l'invention, la concentration en impuretés de la coupe P -de base 2 à côté de la jonction PN est maximale près des parties de la Jonction aui se trouvent à la profondeur b - 2 (sur les figures 1 à 3) ou à l'intérieur des zones partielles 10 (sur la figure 4).D'après l'invention la concentration en impuretés de la couche de base P à coté de ces parties de la ponction ?N nla pes besoin d'être élevée au point que la couche P de base soit dégénérée. Il n'est pas possible de déterminer exactement la valeur de concentration qui s'applique de façon générale à différentes sortes de matière semiconductrice et d'impuretés. Toutefois, s agissant de thyristors typiques du genre décrit cidessus, la concentration doit rester au-dessous de 3.10 - 5.101 atomes environ. Il a été question ci-dessus d'un thyristor allié, c'està-dire d'un thyristor dans lequel la couche N d'émetteur l est formée par un procédé d'alliage. Mais invention est également applicable à d'autres sortes de thyristors. Dans les cas où la couche N d'émetteur est également formée par un-procédé de di- fusion, on peut obtenir la forme voulue de la jonction N+P en masquant, de façon connue en soi, les parties de la surface du disque qui se trouvent au-dessus dès renfoncements, pendant la totalité ou pendant une partie de l'opération de diffusion. L'invention peut astre appliquée par exemple à des diodes et triodes thyristors du type PNPN et à des thyristors dits symétriques du type PNPNP ou NPNPN et, en fonction des besoins; à l'une ouaux deux jonctions d'émetteur dans le thyristor. La figure 2a est une coupe d'une autre forme de réalisation possible d'un thyristor selon l'invention et la figure 2b représente le même thyristor, vu du côté de la cathode. Le thyristor correspbnd à celui des figures la et lb, sauf à un point de vue. Sur les figures la et lb, la jonction N+P avait une partie plane continue, située à la profondeur b au-dessous dc la surface. Au lieu de cela, sur les figures 2a et 2b, la jonction a une partie plane continue qui se trouve à la profondeur (b - a) audessous de la surface, et des tétons cylindriques 8 de la couche N d'émetteur s'étendent à partir de cette partie vers le bas à la profondeur b. La figure 3a représente, en coupe, une autre forme de réalisation du thyristor selon l'invention et la figure db le représente, vue du côté de la cathode. La coche N+ d'émetteur l est ici munie de renfoncements allongés, parallèles, de largeur égale 9, dont la largeur, la profondeur et ltécart mutuel peuvent avoir les mêmes dimensIons que pour les renfoncements des figurent la et lb. La jonction N P se compose donc d'un certain nombre de parties oblongues situées à la profondeur b, qui sont séparées par des parties se trouvant à la profondeur (b - a). Les figures -4a et 4b sont des coupes d'un thyristor à émetteur N forme par alliage, selon une autre forme de réalisation de l'invention. La figure 4a représente le thyristor en cours de faLri-c tion après la phase de diffusion. Dans la couche P de base~2 sont disposées plusieurs parties 10 réparties sur toute la surface. Elles sont du type de conductivité P, mais elles ont une concentration en impuretés plus élevée que la couche P de base 2 elle#mAeme. La forme et les dimensions des parties peuvent être choisies d'après les mes principes que ceux qui. ont été exposés ci-dessus à propos des thyristors des figures 1 a 3. Les parties 10 s t étendent au-dessous de la surface Jusqu' une profondeur qui dépasse quelque peu la profondeur de la jonction N P désirée. Les couches 2 et 4 peuvent être produites par exen ple par diffusion de gallium. Les parties 10 peuvent Aetre ensuite formées par une diffusion sélective de bore qui donne une plus grande concentration superficielle, mais une moindre profondeur de pénétration que le gallium. Dans les parties 10, le dopage au bore dominera et donnera à ces parties une plus forte concentration d'impuretés à dopage P que celle que présente ailleurs la couche P de base 2 à la même profondeur au-dessous de la surface. Puis la couche N+ émetteur 1 et le contact cathodique 5 sont formés par alliage d'une feuille mince d'or-antimoine. Le thyristor fini est représenté sur la figure 4b. Dans les parties 10, la couche P de base 2 a, au niveau de la jonction N P, une plus forte concentration en impuretés (par exemple 1017 atomes/ cm3) que près des autres parties de la jonction (par exemple 10l6 atomes/c#). Les parties 10 donnent ainsi lieu, de la même maniere que ce qui a été décrit ci-dessus, à une augmentation notable de la capacité de la jonction PP et, par suite, de la résistance dU/dt du thyristor. Il est évident#que la couche N d'émetteur peut evre formée elle aussi par un procédé de diffusion et on obvient alors un thyristor dit à diffusion totale, qui revêt également l'as- pect représenté sur la figure 4b. Dans les exemples de réalisation décrits ci-dessus, les thyristors étaient fabriqués par des procédés de diffusion et d ' alliage. Il va de soi que l'invention se prête également à une application à des thyristors qui sont fabriqués par d'autres procédés, comme comme par exemple par épitaxie ou par des combinaisons de procédés, et qui présentent les mêles avantages. il est éé;a- lement possible, dans le cadre de 1 ' invention de modifier la fore des zones partielles et de s'écarter des exemples décrits ci-dessus. REVEtDICATIONS 1. Thyristor comprenant une couche d 7 émetteur située au niveau de l'une des surfaces du corps semi-conducteur et une couche de base située à c8té de celle-ci, ces couches ayant des types de conductivité opposés et formant entre elles une jonction PN, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs zones partielles réparties sur la jonction PN, en ce que la valeur de la concentration en impuretés de la couche base à coté de la jonction PN s'écarte, dans ces zones, de la valeur de la concentration en impuretés dans les parties de cette couche de base qui se trouvent en dehors desdites zones partielles, et en ce que la concentration en impuretés de la partie de la couche de base voisinede la jonction PN qui a la plus forte concentration en impuretés est suffisamment faible pour que cette partie de la couche de base ne soit ps dégénérée. 2. Thyristor selon la revendication 1J caractérisé en ce que la concentration en impuretés des parties de la couche de base voisines de la jonction PN qui ont la plus forte concentration en impuretés s'élève au maximum à 5.1018 atomes/cn3 environ. 3. Thyristor selon la revendication l, dans lequel la couche de base a une concentration en impur#etés qui décrott à partir de la surface, caractérisé en ce que la jonction PN est située, dans lesdites zones partielles, à une profondeur audessous de la surface qui diffère de la profondeur au-dessous de la surface à laquelle se trouve la jonction PN dans les limites des parties de cette jonction qui sont en dehors desdites zones partielles. 4. Thyristor selon la revendication 3, caractérisé en ce que la jonction PN a une partie principale qui est située à une certaine profondeur au-dessous de la surface, et en ce que la jonction PN dans lesdites zones partielles se trouve, au-dessous de la surface, à une plus grande profondeur que ladite partie principale. 5. Thyristor selon la revendication ), caractérisé en ce que la jonction PN a une partie principale qui est située à une certaine profondeur au-dessous de la surface, et en ce que la jonction PN dans lesdites zones partielles se trouve, audessous de la surface, à une moindre profondeur que ladite partie principale. 6. Thyristor selon la revendication 3, caractérisé en ce que la différence entre lesdites profondeurs est comprise entre 5 et 50 P 7. Thyristor selon la revendication 1, dans lequel la partie principale de la couche de base contient une première impureté qui détermine le type de conductivité de la couche, caractérisé en ce que la couche de base contient, dans lesdites zones partielles, une seconde impureté qui est diffusées à partir de la surface et dont la concentration superficielle et la profondeur de pénétration sont choisies de sorte que la seconde impureté ait une plus forte concentration que la première impureté au niveau de la jonction PN. 8. Thyristor selon la revendication 1, dans lequel la partie principale de la couche de base contient une première impureté qui détermine le type de conductivité de la couche, caractérisé en ce que la couche desbase contient, en dehors desdites zones partielles, une seconde impureté qui est diffusée à partir de la surface et dont la concentration superficielle et la profondeur de pénétration sont choisies de sorte que la seconde impureté ait une plus forte concentration que la première impureté au niveau de la jonction PN. 9. Thyristor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dimension des zones partielles dans le plan de la jonction PN est comprise entre 3 p et 300 r.