Brevet FR2406894A1 — publié le 19790518

La présente invention concerne les circuits intégrés à semi-conducteurs et a notamment pour objet un élément commutateur intégré qui peut être utilisé notamment dans différents circuits logiques et de commutation, en particulier dans les circuits logiques à résistance-transistor, à diodetransistor et à transistor-transistor. On contact un élément commutateur intégré à transistor bipolaire comportant, sur un substrat d'un premier type de conduction, trois régions superposées successives : une région de collecteur d'un second type de conduction, une région de base dudit premier type de conduction et une région d'émetteur dudit second type de conduction. Le transistor bipolaire est connecté en émetteur commun, ctest-à-dire que les régions de base et de collecteur sont reliées respectivement au circuit de commande et au circuit de charge, tandis que la région d'émetteur et le substrat sont connectés à une barre commune (sont mis à la masse). Un tel élément commutateur est caractérisé par une faible rapidité d'action, due à la saturation du transistor par le courant arrivant dans sa région de base en provenance du circuit de commande. On est amené à choisir pour ce courant une valeur de plusieurs fois plus élevée que la valeur nécessaire pour la commutation du transistor, afin d'assurer un fonctionnement fiable de l'élément dans les diverses conditions de service. Le courant excédentaire arrivant dans la région de base du transistor conduit à une accumulation des porteurs minoritaires dans les régions semi-conductrices du transistor, et réduit donc sensiblement la rapidité d'action du transistor. On connais un élément commutateur intégré à transistor bipolaire ayant la même structure semi-conductrice que dans le cas précédent et dans lequel la limitation du niveau de saturation du transistor et l'augmentation de la rapidité d'action sont obtenues grâce à la présence d'une électrode métallique supplémentaire qui forme un contact ohmique avec la région de base du transistor et un contact redresseur (barrière de Schottky) avec la région de collecteur. Quand la tension dans la région de collecteur devient inférieure au seuil de limitation, la barrière de Schottky shunte la la jonction émetteur p-n, envoie le courant de base excédentaire dans le circuit collecteur et limite donc le degré de saturation du transistor. Cependant, un tel élément commutateur est d'une structure et d'une technologie de fabrication plus compliquées que celles du précédent, compte tenu de la présence d'une électrode supplémentaire généralement bimétallique. De plus, il occupe une superficie plus importante sur le substrat du circuit intégré, étant donné qu'il est nécessaire de mettre en place une électrode supplémentaire et de limiter la périphérie de la barrière de Schottky par un anneau de protection (zone d'extension de la région de base) en vue d'éviter les fuites le long de sa frontière sortant à la surface du substrat. La présente invention vise à mettre au point un élément commutateur intégré à transistor bipolaire, dont la conception permettrait d'éviter la saturation du transistor et d'améliorer sa rapidité d'action sans compliquer pour cela la technologie de fabrication ni augmenter les dimensions géométriques de l'élément commutateur. La présente invention propose à cette fin un élément commutateur intégré à transistor bipolaire, du type comportant, sur un substrat d'un premier type de conduction, trois régions superposées : une région de collecteur d'un deuxième type de conduction, une région de base dudit premier type de conduction et une région d'émetteur dudit deuxième type de conduction, caractérisé selon l'invention, en ce que la région de base et le substrat sont reliés par un canal du premier type de conduction, dont la largeur est commensurable avec le double de l'épaisseur maximale de la couche de la charge d'espace ou volumique de la jonction p-n entre la région de collecteur et le canal. L'élément commutateur intégré réalisé conformément à la présente invention présente les avantages suivants. L'élément commutateur est caractérisé par une rapidité d'action cZlevée par suite de l'élimination de la saturation du transistor bipolaire. Le niveau de limitation de la tension de collecteur du transistor bipolaire (tension de sortie de l'élément commutateur) peut être prédéterminé dans une large plage en choisissant de façon adéquate la largeur du canal. L'élément commutateur est de construction simple et la technologie de sa fabrication correspond entièrement à la technologie de fabrication du transistor bipolaire et n'exige aucune opération supplémentaire. Les dimensions de l'élément commutateur n'augmentent pas avec l'introduction du canal précité dans sa structure semi-conductrice et restent égales aux dimensions d'un transistor bipolaire de conception classique. Dans l'exposé qui suit l'invention est expliquée par la description d'exemples de réalisation concrets mais non limitatifs, avec références aux dessins annexés dans lesquels - la figure I représente une vue schématique de la structure semi-conductrice d'un élément commutateur intégré conforme à l'invention, auquel sont connectés un circuit de commande et un circuit de charge - la figure 2 représente une vue en perspective de la structure semi-conductrice d'un élément commutateur intégré conforme à l'invention, réalisé suivant la technique de triple diffusion. - la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale de la structure semi-conductrice d'un élément commutateur intégré conforme à l'invention, réalisé suivant la technique de diffusion isolante du collecteur. L'élément commutateur intégré représenté sur la figure 1 est constitué d'un transistor bipolaire n-p-n ayant sur son substrat 1 du type p une région de collecteur 2 du type n, une région de base 3 du type p et une région d'émetteur 4 du type n. La région de base 3 et le substrat 1 sont reliés par un canal du type p, L'électrode d'entrée 6 de élément est en contact ohmique avec la région de base 3, et l'électrode de sortie 7 est en contact ohmique avec la région de collecteur 2. Des électrodes de contact 8 et 9 sont en contact ohmique avec, respectivement, la région d'émetteur 4 et le substrat 1. Les électrodes de contact 8 et 9 sont connectées à une barre commune (sont mises à la masse), ce qui veut dire que le transistor est monté en émetteur commun.L'électrode d'entrée 6 est reliée à un circuit de commande constitué, par exemple, par un générateur de courant 10 et un interrupteur 11. L'électrode de sortie 7 est reliée à un circuit de charge comportant par exemple une résistance 12 et un générateur de tension 13. La largeur du canal 5 est commensurable avec la double épaisseur maximale de la couche 14 de charge d'espace ou volumique de la jonction p-n se trouvant entre la région de collecteur 2 et le canal 5, et peut autre pratiquement choisie dans les limites de 20% à 120% de cette valeur. On comprend par "épaisseur maximale" de la couche 14 de charge volumique de ladite jonction p-n l'épaisseur de cette couche à laquelle la polarisation inverse de cette jonction p-n est maximale, c'est-à-dire une épaisseur pour laquelle le potentiel de la région de collecteur 2 est égale à la tension V du générateur 13 et le potentiel de la région de base 3 est nul (fermeture de l'interrupteur 11).La largeur du canal 5 est choisie (généralement dans les limites indiquées ci-dessus) de manière que quand la tension de sortie V1 (tension de collecteur) de l'élément commutateur est supérieure à une tension de seuil V2 prédéterminée, la section du canal 5 soit recouverte (totalement ou dans une grande mesure) par les couches 14 de charge d'espace de la jonction p-n, le canal 5 étant alors à l'état non conducteur ou très proche de l'état non conducteur, et que quand ladite tension de sortie (tension de collecteur) est inférieure à la tension de seuil V2, les couches 14 de charge d'espace de la jonction p-n ne recouvrent pas la section du canal 5 et, le canal 5 étant alors conducteur. C'est ainsi, par exemple, que dans le cas d'un élément commutateur utilisé dans un circuit logique intégré au silicium, il est avantageux de choisir la largeur du canal 5 de telle façon que la valeur de la tension de seuil V2 soit de +1,0 à +0,5 V. L'élément commutateur intégré fonctionne de la façon suivante. Lorsque l'interrupteur Il (figure 1) est fermé, le courant I produit par le générateur 10 n'arrive pas dans la région de base 3 et le transistor est bloqué. La tension de sortie V1 (tension de collecteur) de l'élément commutateur est élevée (égale à la tension V du générateur 13) et dépasse la tension de seuil V2. Le canal 5 est à l'état non conducteur ou proche de l'état non conducteur (dans ce dernier cas la région de base 3 est reliée par l'intermédiaire de la résistance du canal 5 au substrat 1 mis à la masse, ce qui permet un maintien plus sflr du transistor à l'état bloqué). En l'occurrence, le fonctionnement de l'élément commutateur intégré est analogue au fonctionnement d'un transistor bipolaire bloqué. Avec l'ouverture de l'interrupteur 11 le courant I issu du générateur 10 pénètre dans la région de base 3 et rend conducteur le transistor en assurant ainsi la circulation du courant de sortie I1 (courant de collecteur) à travers la résistance 12. La tension de sortie V1 (tension de collecteur) baisse et atteint le niveau de la tension de seuil V2. Alors le canal 5 devient conducteur et laisse passer vers le substrat 1 et ensuite par l'intermédiaire de l'électrode 9 vers la "terre" le courant 12 qui constitue la partie superflue du courant I arrivant dans la région de base 3. En tant que courant de base proprement dit on utilise le courant I3, qui n'est qu'une partie du courant I parvenant dans la région de base 3, soit où B est le gain en courant du transistor monté en émetteur commun.Ainsi est assuré le fonctionnement du transistor en régime actif ou en régime très proche de celui-ci, et sa saturation n'a pas lieu du fait que la tension de la région de collecteur 2 est limitée d'en bas au niveau de la tension de seuil V2 et que sont interdites les injections de porteurs minoritaires à partir de la jonction p-n entre les régions de base et de collecteur 3 et 2 du transistor. L'élément commutateur intégré qui vient d'être décrit et est représenté schématiquement sur la figure 1 peut être réalisé suivant différentes techniques de fabrication des circuits intégrés bipolaires, telles que la technique planar épitaxiale, la technique de triple diffusion, la technique de diffusion isolante de collecteur, etc, en faisant appel à un canal 5 soit vertical soit horizontal, et à des transistors du type n-p-n aussi bien que du type p-n-p. Un exemple de réalisation pratique de la structure semi-conductrice de l'élément commutateur intégré faisant l'objet de l'invention, en cas d'application de la technique de triple diffusion, est illustré sur la figure 2. Le transistor faisant partie de l'élément commutateur représenté sur cette figure est du type n-p-n, le substrat 1 et le canal 5 étant du type p. Dans ce cas, il est avantageux d'avoir recours à un canal 5 de conception verticale. Si l'élément commutateur intégré est réalisé suivant la technique de fabrication des circuits intégrés par diffusion isolante du collecteur, il est avantageux de donner à l'élément commutateur une structure semi-conductrice à canal 5 de conception horizontale. Dans cet exemple, le transistor de l'élément commutateur est du type n-p-n, le substrat 1 et le canal 5 étant du type p. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci -sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATION Elément commutateur intégré du type à transistor bipolaire comportant, sur un substrat d'un premier type de conduction, trois rébions superposées successives ; une région de collecteur d'un second type de conduction, une région de base dudit premier type de conduction et une région d'émetteur dudit second type de conduction, caractérisé en ce que la région de base et le substrat sont reliés par un canal dudit premier type de conduction, dont la largeur est commensurable avec la double épaisseur maximale de la couche de charge d'espace de la jonction p-n entre la région de collecteur et le canal.