Brevet FR2301926A1 — publié le 19760917

La présente invention concerne des diodes de Schottky de puissance protégées en polarisation inverse, Les diodes de Schottky sont des diodes dans lesquelles on exploite le phénomène de contact entre une couche métallique et une couche semi-conductrice. Dans le fonctionnement de telles diodes, seuls les porteurs majoritaires interviennent dans le phénomène et il en résulte qu'au moment d'un retournement de la tension, il n existe pas de charges stockées au niveau de la jonction active et que la diode de Schottky aura une grande vitesse de recouvrement. Cette vitesse peut être de l'ordre de la nanoseconde . Un autre avantage important des diodes de Schottky résulte dans la faible chute de tension qu'elles présentent quand elles fonctionnent en polarisation directe. par exemple, pour une diode de Schottky ayant une surface de jonction active de 11 ordre de 11 mm2, on aura une chute de tension d'environ 0,65 volt seulement pour un courant de 50 ampères, On notera que pour une surface équivalente et avec une diode diffusée classique, on aurait une chute de tension de l'ordre de 1,3 volt, On sépare généralement les diodes de Schottky en deux classes selon leur domaine d'application, d'une part des diodes de Schottky hyperfréquences, d'autre part les diodes de Schottky de puissance, ces dernières étant essentiellement utilisées dans des dispositifs de hachage où leur caractéristique de réponse rapide est précieuse en relation avec les fronts de montée raids des impulsions en provenance d'un hacheur. Ces diodes sont en particulier couramment utilisées dans des hacheurs utilisés dans les calculateurs. Dans ce qui suit on s'intéressera tout particulièrement aux diodes de Schottky de puissance. Dans de telles diodes de Schottky de puissance, la jonction active est constituée par le contact entre une couche semi-conductrice de dopage relativement faible (par exemple 1016 atomes N par cm3) et une couche métallique. Ainsi, la couche semi-conductrice a une résistivité relativement forte de 0,75 à o,8o ohm-cm. Si cette couche est épaisse, la résistance présentée par la diode sera relation vement forte, et une telle diode ne sera donc pas applicable à un circuit de puissance.On est donc amené à déposer une couche épitaxiée de relativement faible dopage sur un substrat de dopage nettement plus élevé qui aura une faible valeur de résistivité par exemple de l'ordre de 5 milliohms-cm, ce qui correspond à un dopage N de 1020 atomes par cm3, Il résulte de cet impératif l'un des inconvénients essentiels des diodes de Schottky, à savoir que quand l'épaisseur de la couche épitaxiée est faible, ce qui est souhaitable du point de vue de la résistance d'ensemble de la diode, la propension de la diode à se détruire à la suite d'un claquage électrique devient forte. Ainsi,un compromis doit être effectué en ce qui concerne l'épaisseur de la couche épitaxiée et il est souhaitable de protéger la diode contre des surtensions en inverse pour éviter son claquage et par là sa destruction. Une autre difficulté inhérente aux diodes de Schottky est que son claquage peut survenir pour une impulsion très rapide à front de montée raide, même si cette impulsion de tension a une très faible puissance. Comme de telles impulsions parasites se produisent fréquemment sur les réseaux d'alimentation, les constructeurs de diodes de Schottky sont couramment amenés à donner des valeurs d'utilisation limites en tension inverse très inférieures aux valeurs limites réelles.Par exemple, de façon courante, pour des diodes de Schottky pouvant supporter des tensions inverses de l'ordre de moins 50 volts, les constructeurs indiquent à l'utilisateur une tension de l'ordre de moins 30 volts pour éviter le claquage par des impulsions que l'utilisateur ne détecterait meme pas et qui l'amèneraient à soupçonner la diode de Schottky autre d'une qualité médiocre et de ne pas satisfaire aux caractéristiques annoncées. Dans l'art antérieur, pour éviter des destructions d'une diode de Schottky, il a été proposé de connecter de façon permanente une diode Zener en parallèle avec une diode de Schottky de sorte que, quand la tension inverse dépasse un certain seuil, un chemin de courant soit établi par la diode Zener qui se met en régime d'avalanche. La demanderesse a observé que de tels dispositifs de diodes de Schottky et de diodes Zener en parallèle présentent deux inconvénients essentiels. D'une part, dans le cas d'une polarisation en direct, la diode Zener participe à la conduction et ainsi, au moment du renversement de la tension, les charges stockées dans la diode Zener entrassent une augmentation du temps de recouvrement du dispositif d'ensemble et ainsi la qualité principale de la diode de Schottky qui réside dans sa grande rapidité de fonctionnement est partiellement détruite. D'autre part, étant donné que la diode Zener a un temps de déclenchement limité inférieurement par le délai que la zone de charge d'espace met à s'établir, il est possible qu'une impulsion à front de montée très raide fasse claquer la diode de Schottky avant que la diode Zener ait eu le temps de rentrer en avalanche. En conséquence, un objet de la présente invention est de prévoir une protection de diodes de Schottky par un moyen monté en parallèle qui ne participe pas à la conduction dans le sens di rect. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un moyen pour protéger une diode de Schottky qui présente une grande rapidité de déclenchement en inverse. Un autre objet de la présente invention est de prévoir le montage particulier d'une diode de Schottky avec une varistance de protection en parallèle. - Un autre objet de la présente invention est de prévoir un mode de réalisation particulier de réalisation de diodes de Schottky de puissance. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit de disposer en parallèle avec une diode de Schottky de puissance, un moyen présentant un seuil de déclenchement aussi bien dans le sens direct que dans le sens inverse. Le seuil en direct est choisi de façon à ce qu il soit supérieur à la chute de tension aux bornes d'une diode de Schottky en fonctionnement d'où il résulte que ce moyen n'est pas mis en conduction dans le sens direct et le seuil en inverse est choisi de façon à être légèrement inférieur à la tension de claquage de la diode de Schottky en inverse. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante fai te en relation avec les dessins joints dans lesquels La figure 1 représente une diode de Schottky munie de perfectionnements selon la présente invention; La figure 2 représente une diode de Schottky protégée selon l'art antérieur; La figure 3 représente une diode de Schottky protégée selon la présente invention; et La figure 4 représente un montage particulier de diode de Schottky protégé par une varistance selon la présente invention. La figure 1 est destinée à rappeler la structure d'une diode de Schottky de puissance, la diode de Schottky représentée étant munie de perfectionnements qui font partie de la présente in vention. La partie active de la diode de Schottky représentée en figure 1 comprend une couche épitaxiée de silicium 1 ayant un épais- seur comprise sensiblement entre 1,8 et 2,1 microns et ayant un dopa- 16 ge N compris entre 1 et =.10 atomes par cm3 et une couche barriore de molybdène 2 ayant une épaisseur de 150 à 300 A. On notera que, dans l'art antérieur, des couches barrières de chrome sont également utilisées.La couche épitaxiée 1 est formée sur un substrat de silicium 3 ayant un dopage relativement élevé, de par exemple 1020 ato 3 mes N par cm Sur la face opposée de ce substrat 3 est formée une couche surdopée 4 destinée à assurer un contact ohmique avec une embase conductrice servant de cathode 5. La couche surdopée aura par exemple un dopage de l'ordre de 1021 atomes N par cm3. La demanderesse a observé qu'il était en pratique très délicat-d'établir une métallisation de reprise sur la couche de molybdène 2. En effet, en utilisant une couche de reprise classique, telle que de l'argent, les atomes d'argent ont tendance à diffuser dans la couche épitaxiée 1 à travers la couche de molybdène 2 qui a tendance à présenter une certaine porosité et ainsi le fonctionnement de la diode est altéré.La demanderesse a découvert que cet inconvénient pouvait eAtre évité en déposant au-dessus de la couche barrière de molybdène 2 une couche barrière métallurgique 6 en nickel ayant par exemple une épaisseur comprise entre environ 200 et environ 300 A et en déposant ensuite seulement une couche de métallisation de reprise en argent 7 ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de 5 microns, de sorte que la couche d'argent soit uniquement en contact avec la couche de nickel 6 et non avec la couche de molybdène 2, ou avec la couche épitaxiée 1. La figure 1 montre également une moustache 8 assurant le contact d'anode. La demanderesse a en outre observé que la passivation procurant la meilleure fiabilité de fonctionnement, tout particulièrement aux températures de fonctionnement comprises entre 100 et 1300C était apportée par le recouvrement débordant de l'ensemble des métallisations au moyen d'une résine 8. parmi les résines les mieux aptes à remplir cette fonction, la classe des polyamides-imides a été retenue comme conduisant aux meilleurs résultats. Avec la structure décrite ci-dessus, et l'épaisseur donnée de la couche épitaxiée de 1,8 à 2,1 microns, on obtient une diode de Schottky ayant une tension de claquage comprise entre -50 et -60 volts. On s'attachera dans ce qui suit à la protection en inverse d'une telle diode de Schottky ou de toute autre diode de Schottky de puissance connue en soi. La figure 2 représente de façon schématique un montage de l'art antérieur consistant à disposer en parallèle avec une diode de Schottky 10 une diode Zener Il On ne reviendra pas ici sur les inconvénients de ce montage qui ont été décrits précédemment. La figure D représente de façon schématique une diode de Schottky de puissance 10 protégée en polarisation inverse par une connexion en parallèle à un moyen 12 présentant un seuil de déclenchement en polarisation directe ayant une valeur supérieure à la chute de tension aux bornes de la diode de Schottky et un seuil de déclenchement en polarisation inverse ayant une valeur inférieure à celle de la tension de claquage en inverse de la diode de Schottky. Selon la présente invention, le moyen à double seuil 12 peut être une double diode Zener ciblée, ou intégrée, un diac, une varistance, etc... Dans le cas de l'utilisation d'une double diode Zener, il y aura toujours une diode Zener disposée en inverse et ainsi, quand la diode de Schottky est polarisée en direct, la double diode Zener ne participe pas à la conduction. On résoud par là le premier inconvénient de l'utilisation d'une diode Zener unique mais on ne s'affranchit pas du problème de la faible rapidité des diodes Zener par rapport aux diodes de Schottky.On notera en outre qu'avec ce montage, dans le cas où la double diode Zener est intégrée, il existe au-delà. du seuil de claquage VO de la diode Zener un second seuil VI de striction de courant qui peut entratner une détérioration de la double diode Zener dans le cas où un front de tension important est appliqué en inverse à cette double diode Zener. Dans le cas où le moyen 12 à double seuil est un diac, on obtient l'avantage supplémentaire d'une rapidité de déclenchement en inverse deux fois plus grande que dans le cas d'une diode Zener. En outre, avec un diac, le seuil de striction existe également au-delà du seuil d'avalanche, mais ce seuil de striction n'est pas destructeur pour le diac comme il l'était pour la double diode Zener. Enfin, dans le cas de l'utilisation des varistances, on retrouve les avantages de la double diode Zener ou du diac avec en plus l'avantage qu'une varistance a une vitesse de déclenchement qui est sensiblement du m#me ordre de grandeur, c'est-à-dire de 1 t ordre de quelques nanosecondes, que la vitesse de destruction une diode de Schottky. Ainsi, selon les applications et selon les risques de destruction en inverse de la diode de Schottky on choisira l'un ou l'autre des dispositifs décrits précédemment en tenant compte, en outre, du fait que chacun de ces dispositifs introduit une faible capacité parasite qui augmente celle de la diode de Schottky. Si l'on considère qu'une diode de Schottky ayant une capacité pour une tension nulle de 5 nanofarads et pour une tension de moins 20 volts de 1 nanofarad, on aura pour un montage en parallèle d'une diode Zener avec cette diode de Schottky une capacité à Q volt de 10 flanc- farads et à -20 volts de 2 nanofarads. On aura le même résultat en utilisant une double diode Zener.Toutefois, en utilisant un diac ou une varistance en parallèle avec la diode de Schottky, on obtiendra une augmentation de la capacité qui sera sensiblement constante, à savoir de sensiblement 0,5 nanofarad pour un diac et de sensiblement 0,1 nanofarad pour une varistance. Ces résultats sont résumés dans le tableau suivant dans lequel S désigne une diode de Schottky, Z une diode Zener, ZZ une double Zener, D un diac, et V une varistance. TABlEAU 5 S S > Z S, ZZ S, D S, V O Volt 5 nf 10 nf 10 nf 5,5 nf 5,1 nf -20 Volts 1 nf 2 nf 2 nf 1,4 nf 5,1 nf On notera toutefois que les valeurs données dans le tableau ci-dessus à titre d'exemple sont caractéristiques de l'état actuel de la technique de réalisation des divers composants et que ces valeurs de capacité peuvent varier si de nouvelles techniques de fa- brication sont mises au point pour ces divers dispositifs. La figure 4 représente plus en détail un montage particulier de varistance en parallèle avec une diode de Schottky, montage qui permettra d'obtenir un dispositif relativement compact. En se référant à la figure 4, une diode de Schottky 20 se présentant sous forme d'une pastille est déposée sur une embase 21 du côté de sa cathode. t'embase 21 est adaptée à recevoir un capot 22; 1'embase 21, le capot 22 et la liaison embase-capot étant conducteurs. De préférence, l'embase et le capot auront des formes sensiblement cylindriques. Le capot est percé d'un trou central pour laisser passer une mousta che 23 permettant d'établir un contact avec l'anode de la diode de Schottky. Dans le capOt 22, est disposée une varistance 24 de forme sensiblement cylindrique, métallisée à ses deux extrémités et percée d'un trou central, qui est d'une part en contact électrique avec le capot et d'autre part avec l'anode de la diode de Schottky. Ainsi, on obtient sous forme compacte un montage en parallèle d'une varistance et d'une diode de Schottky, la varistance servant à la fois de protection électrique contre les surtensions en polarisation inverse et de moyen mécanique de fixation de la diode de Schottky dans son bottier Ce montage se prête à la passivation par coulée de résine à l'intérieur de évidement central de la varistance, comme indiqué en 28. On notera que les diverses réalisations du moyen 12 en parallèle avec la diode de Schottky 10 peuvent également se prêter à des montages compacts comme cela sera clair pour l'homme de l'art. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Diode de Schottky de puissance protégée en polarisation inverse, caractérisée en ce qu'elle est connectée en parallèle à un moyen présentant un premier seuil de déclenchement en polarisation directe, ce premier seuil ayant une valeur supérieure à la chute de tension en direct aux bornes de la diode et un deuxième seuil de déclenchement en polarisation inverse ayant une valeur inférieure à celle de la tension de claquage en inverse de cette diode. 2 - Diode de Schottky selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit moyen est une double diode de Zener ciblée. 3 - Diode de Schottky selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit moyen est une double diode Zener intégrée. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen est un diac. 5 - Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit-moyen est une varistance. 6 - Diode selon la revendication 5, dans laquelle la diode de Schottky est posée de son côté cathode sur une embase conductrice adaptée pour recevoir un capot conducteur selon une liaison conductrice, caractérisée en ce qu'une varistance de forme cylindrique et creuse est maintenue de façon électriquement opérative entre le capot et le caté anode de la diode, une moustache de connexion étant également liée à l'anode de la diode à travers un trou ménagé dans le capot et passant à l'intérieur de la varistance creuse. 7 - Diode de Schottky selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant sur une embase 5 servant de cathode une couche surdopée 4, un substrat 3, une couche épitaxiée 1, formant liaison active avec une couche barrière 2,caractérisée en ce que cette couche barrière est une couche de molybdène revêtue d'une couche barrière métallurgique 6 en nickel sur laquelle est formée une métallisation de reprise en argent 7 servant d'anode. 8 - Diode de Schottky selon la revendication 7, caracté risée en ce qu'une résine de la classe des polyamides-imides est uti lisée comme agent de passivation.