Brevet FR2284193A1 — publié le 19760402

L'invention concerne les dispositifs à semi-conducteur, et se rapporte plus particulièrement aux redresseurs semi-conducteurs à conduction commandée. les redresseurs connus de ce type sont commutateurs dlec- triques présentant, soit un état bloqué à haute impédance, soit un état conducteur à faire impédance. Pour faire passer de tels dispositifs de ltétat bloqué à l'état conducteur (une tension étant appliquée entre la cathode et l'anode de ces dispositifs) on applique une tension de déclenchement sur leur gâchette. Aucun de ces dispositifs connus sur le marché ne peut être bloqué en appliquant une tension de déclenchement sur leur gâchette. On présume que le problème majeur qui se posait dans la technique antérieure relative aux dispositifs de commutation qu'on appellera par la suite thyristors interrupteurs (encore appelés GTO, "Gate turn-off device") provient de ce que durant le passage à l'état bloqué, le -trajet suivi par le courant entre l'anode et la cathode- ce dispositifsnta plus qu'une petire surface transversale, dans lffiquelle existent, en conséquence, des densités de courant relati vement-élevéesfortement susceptibles de produire une sur-dissipation de chaleur dans le dispositif, voire de la détruire L'objet principal de la présente invention consiste à former un ft#yristoe interrupteur dans lequel de fortes densités de courant ne se produisent plus lors du bloquage. les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront pl clairement de la descrption qui suit faite en ré-férence à la figure des dessins annexés, montrant, en perspective, un exemple de réalisation d'un dispositif à conduction commandée conforme à l'invention. le dispositif 10 représenté sur la figure 1 comprend une pastill# rectangulaire t2 en matériau semi-conducteur -- le silicium dans ce cas-- présentant deux faces opposées 14 et 16 et une surface latérale 18. Dans le mode de réalisation illustré, la pastille 12 a une épaisseur d'environ 0,23 mm, et une longueur et une largeur de l'ordre de l,OOmm. A l'intérieur de la pastille 12 sont disposées diverses régions de types de conductivité différents, soit -: nne région d'émetteur 20 de haute conductivité (N +), une région de base 22 de conductivité P, une région de base 24 de faible conductivité (N -), et une région d'émetteur 26 de haute conductivité (P +). Comme illustré, chaque région de base est comprise entre l'une des régions d'émetteur et l'autre région de base. De préférence, bien que cela ne soit pas essentiel dans le dispositif conforme à la présente invention, on inclura dans la région de base P 22 qui avoisine la région d'émetteur N 20 une partie étroite 27 de matériau de relativement haute résistivité, par exemple de l'ordre de 2 à 3 ohm-cm, afin d'accroître la tension directe de recouvrement entre la région d'émetteur N 20 et la région de base P 22. Sur la face supérieure 14 de la pastille 12 sont disposées une électrode de cathode 50 en contact direct avec la région d1émet- teur N 20, et une électrode de gâchette 34 en contact ohmique direct avec la région de base P 22. Cette dernière région inclut également une partie fortement dopée (P +) 35 disposée directement en dessous de l'électrode de gâchette 34, en contact avec elle, afin d'améliorer la connextion ohmique entre la base P 22 et la gachette 34. La face inférieure 16 de la pastille 12 comporte une électrode d'anode 42 venant en contact ohmique direct avec la région d'émetteur P 26. Comme représenté, l'électrode d'anode 42 vient également en contact avec la région de base N 24 suivant une partie 45 de la pastille située sous la région d'émetteur N 20 et à distance de l'-électrode de gâchette 34, c'est-à-dire sur la face opposée de la pastille. Dans le mode de réalisation illustré, la partie 43 a une longueur L (à partir de la région d'émetteur P) de 0,25 mm environ, tandis que la région d'émetteur N 20 a une longueur d'environ 0,75 mm. Jusqu'ici, le dispositif 10 se présente comme un dispositif tout à fait similaire à ceux connus et fonctionne d'une manière similaire à ceux-là. Cependant, une différence existe entre eux, résidant dans le fait que la partie 43 de la pastille 12 où l'électrode d'anode 42 vient en contact avec la région de base N 24 est d'une largeur remarquablement anormale du fait que sa longueur B est de préférence aussi grande que l'épaisseur de la pastille. Cette partie 43, appelée ci-après la partie "tampon" 43, joue un rôLe particulièrement important lors de ltextinction du dispositif, comme cela sera décrit ci-après. L'alunage du dispositif 10, se faisant par l'application d'une tension de déclenchement positive (dans ce mode de réalisation) à l'électrode de gâchette 34, se produit de la même manière que dans les dispositifs redresseurs semi-conducteurs à conduction commandée de la technique antérieure.Comme dans ces dispositifs, le dispositif 10 reste dans son état conducteur après élimination de la tension de déclenchement de gâchette, pourvu que le procédé d'injection de porteurs de charge soit régénératif (lorsque les trous injectés depuis l'émetteur de type P 26 atteignent la région de base P 22 en nombre suffisant pour polariser en sens direct la région d'émetteur N 20 et que les électrons ainsi injectés dans la région de base 22 depuis la région d'émetteur20 polarisée en direct atteignent la région de base N 24 en nombre suffisant pour polariser en sens direct la région d'émetteur P 16). Autrement dit, le dispositif 10 peut être considéré comme formé de deux transistors, à savoir un transistor N P N "supérieur" comprenant les régions 20,22,24, et un transistor P N P "inférieur" comprenant les régions 26,24,22, la région de collecteur de chaque transistor étant commune à la région de base de l'autre transistor. le dispositif demeure dans son état conducteur, ctest-à-dire fonctionne dans un mode régénératif, pourvu que la somme des gains en courant (définis par le rapport des courants entre collecteur et émetteur) de deux transistors égale ou dépasse approximativement l'unité. le dispositif 10 est conçu, conformément aux critères déjà connus, pour avoir un tel fonctionnement régénératif à l'intérieur d'une partie 50 de la pastille 12 (appelée ci-après la "partie régénérative" 50) à gauche de la partie tampon 43. il est important que le processus d'injection du courant à l'intérieur de la partie tampon 43 de la pastille ne soit pas régénératif. Cela provient du fait que, en raison du contact direct de l'électrode d'anode 42 avec la région de base N 24, la partie tampon 43 ne contient qu'une seule région d'émetteur, à savoir la région d'émetteur N 20, et qu'un seul transistor, à savoir le transistor supérieur N P N formé des régions 20,22,24 Ainsi, alors qu'il est possible (de la manière décrite ci-après) de polariser en direct la partie de la région d'émetteur N 20 à l'inté rieur de la partie tampon 43 pour l'amener à injecter des électrons, les électrons injectés en l'absence d'une région d'émetteur P ne peuvent pas induire une injection correspondante de trous. Aussi le processus d'injection n'est pas régénératif. Dit en gain de courant de la partie tampon 43, parce que seulement un transistor est présent dans cette partie, le gain en courant de la partie tampon du dispositif 10 est nécessairement inférieur à l'unité, de sorte qu'il ne peut exister une action régénérative. Toutefois, comme un dispositif 10 est dans son état hautement conducteur et ne présente qu'une faible impédance, une conduction importante se produit à travers la partie tampon 43 entre les bornes principales du dispositif, c'est-à-dire entre la cathode 40 et l'anode 42. Une telle condition se produit en raison de la diffusion latérale des porteurs de charge depuis la partie régénérative 50 de la pastille 12 jusqu'à la partie tampon 43. En effet, des trous injectés depuis la région d'émetteur P 26 à l'intérieur de la partie régénérative 50 diffusent latéralement dans la région de base P 22 à l'intérieur de la partie tampon 43, et servent à polariser en sens direct la région d'émetteur N 20 pour l'amener à injecter des électrons.Ces électrons atteignent en fin de compte l'électrode d'anode 42, où ils sont collectés. les trous dans la base P 22 atteignent en définitive l'électrode de cathode 30 et s'y recombinent. Alors que ces trous ne sont pas directement remplacés à la suite d'un processus d'injection de trous à l'intérieur de la partie tampon 43, la densité de courant à l'intérieur de la partie régénérative 50 est avantageusement élevée pour remplacer facilement ces trous par des diffusions latérales additionnelles. Ainsi, tout en conduisant un courant d'une densité quelque peu inférieure à celle de la partie régénérative 50, la partie tampon 43 véhicule une partie importante du courant à travers le dispositif 10 et contribue d'une manière importante à augmenter la capacité en courant du dispositif. Etant donné que la conduction d'un courant à travers la partie tampon 43 dépend d'une diffusion latérale en elle-même de porteur de charge venant-de la partie régénérative 50, la densité du courant dans toute la partie tampon 43 diminue en fonction de la distance comptée à partir de la partie régénérative 50, c'est-à-dire quand la distance de diffusion augmente. En général, la diffusion latérale des porteurs de charge est fonction de l'épaisseur des régions dans lesquelles une telle diffusion se produit, soit ici les deux régions de base 22 et 24 dans le dispositif 10, de sorte qu'en pratique une limite supérieure de la longueur L de la partie tampon 43 est de l'ordre de trois à quatre fois l'épaisseur totale de ces régions.Avec des longueurs L aussi élevées, la conduction du courant à travers les parties les plus éloignées de la partie régénérative 50 est tellement petite qu'elle ne1: ebhiribue que de peu aux performances du dispositif. Dans le cas habituel la région d'émetteur N 20 est très mince relativement à l'épaisseur totale de la pastille - les deux régions de base 22 et 24 occupant la plus grande partie de l'épaisseur de la pastille à 1 'intérieur de la partie tampon 43 il est préférable que la longueur L de la partie tampon 43 soit estimée parrrapport à l'épaisseur de la pastille 12. Pour éteindre le dispositif 10, on applique, dans ce mode de réalisation, une tension négative sur la gâchette 34. Cette tension tend à attirer et à drainer des trous de la région de base P 22 et, si un nombre suffisant de trous est ainsi éliminé, l'injection d'électrons depuis la région d'émetteur N 20 est de la sorte interrompue avec le processus autô-régénératif. Le problème que posaient les thyristors interrupteurs de la technique antérieure provenait du fait que, à cause de la chute de tension dans la région de base 22 provoquée par le flux de trous vers l'électrode de gâchette 34 durant l'esthnction de ce dispositif, l'effet de dépolarisation de la tension de bloquage était la plus forte sur le bord 52 de la région d'émetteur 20 le plus approché de l'!lectrode de gâchette 34 et diminuait au fur et à mesure que la distance à partir de cette électrode augmentait. Il stensuivzat que l'injection d'électrons depuis la région d'émetteur N était d'abord éteinte dans le bord 52 de la région d'émetteur le plus proche de l'électrode de gâchette, cette extinction progressant ensuite dans la région d'émetteur 20 en s'éloignant de l'électrode de gâchette. Cependant, du fait de la haute conductivité du plasma, le courant total traversant le dispositif n'était pas immédiatement réduit, la diminution du courant des parties éteintes de la région d'émetteur 20 étant suppléée par une injection d'électrons accrue en provenance des parties des régions d'émetteur restantes non éteintes ou polarisées en sens direct.Cela se traduit par le fait que le trajet du courant traversant le dispositif voit sa section transversale diminuée de plus en plus qu'il s t éloigne de ltélectrode de gâchette 34, avec pour conséquence l'accroissement de la densité de courant. l'accroissement de la distance depuis ltélectrode de gâchette qui fait que la chute de tension entre cette électrode et les plasmas ou "filaments" du courant restants non éteints augmente également, combiné avec une élévation de densité de courant dans les plasmas restants qui tendent à accroitre l'ef- ficacité d'injection des parties restantes polarisées en sens direct de la région d'émetteur N 20, fait que les plasmas restants sont très difficiles à interrompre complètement. En outre, à cause d'échauffements localisés excessifs, la présence de tels plasmas à haute densité de courant peut être fatal à la pastille. Par contre, grâce a' la largeur remarquable de la partie tampon 43 réalisée conformément h Ra présente invention, lorsque la région d'émetteur 20 est progressivement éteinte suivant sa longueur, la partie tampon 43 offre encore une surface relativement grande au courant inversant le dispositif et minimise ainsi l'accroissement de la densité du courant dans la partie régénérative 50. En effet, durant l'extinction progressive de la région d'émetteur 20, le courant traversant le dispositif se fraye un chemin essentiellementzdepuis la partie régénérative 50 jusqu'à la partie tampon 43. Dans la mesure où la partie tampon 43 est assez large pour être à même de traiter le courant ainsi accru qui la traverse, on évite du même coup qu'un courant excessif s'accumule dans la partie régénérative 50. Par ailleurs, une fois la longueur totale de la région d'émetteur 20 à l'intérieur de la partie régénérative 50 éteinte, la partie tampon 43 s'éteint d'elle-même grâce au drainage de charge de la région de base 22 vers l'électrode de gâchette 34. Cela provient du fait que, comme expliqué ci-dessus, en l'absence de diffusion latérale de charge. dans la partie tampon 43 en provenance de la partie régénérative 50, la partie tampon 43 n'est pas capable d'avoir une fonction régénérative. il est important que, pendant que la partie tampon 43 contribue à augmenter la capacité en courant du dispositif dans son état conducteur, l'extinction du courant dans la partie tampon 43 se produise adhx5SmEnt de l'électrode de gâchette 34. Cela signifie que l'extinction de la partie tampon 43 n'inplique pas de drainage de charge depuis cette partie jusqu'à l'etec- trode de gâchette, et que la tension de l'électrode de gâchette nia pas besoin d'étendre ses effets jusque dans B partie tampon.Ainsi, malgré l'accroissement de la capacité en courant que procure la partie tampon 43, il n'est pas nécessaire d'appliquer une tension plus élevée sur l'électrode de gâchette pour éteindre le dispositif. Des thyristors interrupteurs de la technique antérieure, tels que ceux imustrés par exemple dans la figure 3 du brevet U.S 3.324.359, délivré à Gentry le 6 Juin 1967, contiennent par inhérence de telles parties tarpon 5 du fait de l'utilisation des structures de type nd anode court-circuitée". Cependant,le but de l'utilisation de telles anodes était de réduire le gain en courant des transistors inférieurs de ces dispositifs, en "court-circuitant" l'émetteur de ces transistors à sa région de base dans l'intention d'accrottre le gain de passage à l'extinction du dispositif (c'eet-à-dire le rapport du courant passant par une des bornes principales du dispositif au courant de 1' éectrode de gâchette requit pour éteindre le dispositif). Cependant, à la connaissance de la demanderesse, rien de la technique antérieure ne concerne l'efficacité d'une partie tampon à empêcher que des plasmas à haute densité de courant ne se produisent durant ltextinction de tels dispositifs, et, par ailleurs, aucune allusion n'est faite dans la technique antérieure au sujet de l'utilisation de parties d'anode court-circuitée ayant une taille suffisamment grande pour être importante pour remplir à cette fonction. Comme cela a été dit précédemment, la longueur minimale préférable L à donner à la partie tampon 43 est de l'ordre de l'épaisseur de la pastille 12. En dessous de cette longueur, on ne tire plus de la partie tampon l'avantage d1accroiAtre la capacité de transport de courant du dispositif tout en l'établissement de plasmas à densités de courant excessivement élevées à l'intérieur de la partie régénérative 50 pendant l'extinction du dispositif. la fabrication de dispositifs oonformes à la présente invention peut mettre en oeuvre des procédés bien connus. Par exemple, en commençant avec une plaquette semi-conductrice en silicium de 0,2 mm d'épaisseur et d'une conductivité correspondant à celle que l'on désire qu'il y ait dans la région de base N 24 du dispositif 10 ( par exemple 30 à 40 ohm-cm), on commencera d'abord par former une région destinée à faire partie de la région de base P 22. Par exemple, il est possible de déposer du bore sur la surface principale de la plaquette de départ selon une concentration de 10 8 atomes par cm2, tandis que les atomes d'impureté sont extraits de la plaquette jusqu a une profondeur de 0,013 mm environ.Ensuite, on fait pousser par épitaxie une couche épaisse de 0,025 mm d'une matière du type P, de résistitité relativement élevée, de l'ordre de 2 à 3 ohm-cm. En utilisant les techniques de masquage, on diffuse du bore dans une partie de l'autre face principale pour former la région d'émetteur P+ 26 et, simultanément, dans une partie de la couche épitaxiale P pour former la région P+ 35 de la région de base P 22. les dernières diffusions sont faites avec du bore suivant une concentration superficielle de l'ordre de 5 x 10 atomes par cm2 sur une profondeur d'environ 0,013 mm. Ensuite, en utilisant du phosphore à une concentration superficielle d'environ 1020 atomes par cm2, on forme par diffusion la région d'émetteur N 20 sur une profondeur d'environ 0,013 mm dans une partie de la couche épitaxiale qui est éloignée de la région P + 35. les diverses électrodes, en nickel ou en aluminium par exemple, sont ensuite déposées et délimitées en mettant en oeuvre des techniques lien connues. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été cité qu'à titre d'exemple, mais comprend au contraire tous les moyens constituant iB équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurBcombinaisona si celles-ci sont exécutées suivant l'esprit l'invention et mises en oeuvre dans le cadre de la revendication qui suit. REVEND i CAT ION Redresseur semi-conducteur à conduction commandée, caractérisé en ce qu'il comprend : une pastille (12) semiconductrice contenant une partie régénérative de courant #0) disposée côte-à-côte avec une partie non régénérative (43) des éléctrodes (42, 30) disposées sur des faces opposées (16,14) de la pastille définissant un trajet de courant à travers chacune des parties (50,43), la donduction du courant à travers la partie non régénérative dépendant d'une diffusion latérale de porteurs de charge dans la partie non régénérative en provenance#de1a partie régénérative, tandis que la longueur (L) de la partie non régénérative, mesurée à partir de la partie régénérative en s'en écartant, est au moins égale à l'épaisseur de la partie de la pastille 12 à travers laquelle se produit ladite diffusion latérale.