Brevet FR2424631A1 — publié le 19791123

La présente invention, due à Igor Vsevolodovich GREKHOV, Andrei Vasilievich GORBATJUK, Ljudmiia Serafimovna KOSTINA et Yaroslav Ilich PAVLYNIV, concerne les dispositifs de puissance à semi-conducteurs, et notamment les thyristors. Elle est utilisable dans l'appareillage de commutation rapide à haute tension, tel que des convertisseurs d'énergie à haute fréquence, des commandes électriques, etc. De par le brevet DT 2.123.322, on connait un thyristor comportant une large couche de base de type N faiblement dopée, une couche de base de type P fortement dopée et deux couches émettrices, dont lune, à conduction de type N, est adjacente à la couche de base de type P fortement dopée et l'autre, présentant une conduction de type P, est adjacente à la couche de base de type N faiblement dopée. A chacune des couches émettrices, ainsi qu'à la couche de base de type P, sont connectées des bornes d'amenée de courant. La jonction émetteur-base, formée à l'interface entre la couche de base de type P et la couche émettrice de type est shuntée au moyen de canaux shunts d'émetteur passant, à partir de la couche de base de type P, par la couche émettrice de type N, vers sa borne d'amenée de courant.Les canaux shunts d'émetteurs, exécutés sous forme de cylindres de 300 à 500 p de diamètre, sont situés avec un espacement de 1 à 2 mm sur des rayons angulairement équidistants partant de la borne d'amenée de courant affecté à la couche de base de type P. Afin d'assurer une résistance suffisamment faible entre les canaux shunts d'émetteur, la couche de base de type P fortement dopée doit avoir une concentration moyenne d'impuretés allant de 1 x 1017 à 1 x 1018ci 3. Cependant, avec un tel taux de dopage, la jonction collecteur-base présente un coefficient d'injection des trous qui est voisin de 1, pour la densité de courant utilisée. C'est pourquoi la jonction collecteur-base devient, à l'extinction du thyristor, une barrière presque infranchissable pour les électrons en.nonéquilibre présents dans la large couche de base de type N faiblement dopée Dans ces conditions, le courant inverse du thyristor n'assure pratiquement pas l'évacuation de la charge accumulée hors de la large couche de base faiblement dopée, en suite de quoi le temps d'extinction du thyristor n'est déterminé que par la durée de -,ie des porteurs minoritaires en non-équilibre présents dans cette oouche, à savoir les trous.Mais, étant donné que la diminution de la durée de vie des trous entrai ne une brusque augmentation de la chute de tension sur le thyristor amorcé, on n'a pas pu jusqu'à présent réaliser des thyristors avec un temps d'rxtinction court. L'invention vise-à mettre au point un thyristor qui pos- sède un temps d'extinction court tout en gardant ses autres caractéristiques, grâce à l'extraction de la charge hors de la couche de base de type N faiblement dopée par le courant inverse. Le problème pose est résolu par un thyristor comprenant une couche de base de type P fortement dopée et une couche de base de type N faiblement dopée qui se situent entre deux couches émet- trices, l'une de type N et l'autre de type P, ainsi que des canaux shunts d'émetteur pour shunter la jonction émetteur-base qui passent de la couche de base de type P vers la borne d'amenée de courant, thyristor dans lequel, conformément à l'invention, la concentration moyenne d'impuretés dans la couche de. base de type P fortement dopée est égale à 1 x 1016cm au plus, et dans lequel les canaux shunts d'émetteur sont agencés de façon à former un réseau, la largeur de chacun d'eux ne dépassant pas la longueur de diffusion des porteurs dans la couche de base de type P. L'invention offre les avantages suivants. En diminuant la concentration moyenne d'impuretés dans la couche de base de type P, on arrive à extraire les électrons excédentaires, lors de l'extinction du thyristor, de la couche de base de type N, en les faisant passer par la jonction collecteur-base vers la borne d'amenée de courant, de sorte que le temps d'extinction du thyristor devient tributaire de deux phénomènes simultanés, à savoir la recombinaison des porteurs en non-équilibre dans la couche de base de type N et le courant inverse traversant le thyristor. On voit que l'extinction du thyristor de l'invention s'effectue plus vite que dans le cas du thyristor antérieur décrit plus haut dans lequel le temps d'extinction n'est déterminé que par le temps de recombinaison des porteurs en non-equilibre dans la couche de base de type N. Si l'on réduisait la concentration moyenne d'impuretés dans la couche de base de type P du thyristor connu pourvu de canaux shunts d'émetteur sous forme de cylindres, à 1 x 1016cl3 le nombre desdits shunts cylindriques devrait etre de l'ordre de plu 2 sieur smilliers par cm ce qui encombrerait très notablement la structure et entrainerait une perte de l'aire utile du thyristor. Le shuntage de la jonction émetteur-base au moyen de canaux shunts arrangés en réseau est facile à réaliser et est d'une efficacité beaucoup plus grande étant donné que la résistance répartie est beaucoup moins élevée pour une bande que pour un cylindre. En outre, en agençant les canaux shunts d'émetteur sous forme d'un réseau, on obtient une charge critique du thyristor (autrement dit, une concentration du plasma dans la couche de base de type N qui est hécessaire pour qu'il y ait extinction du thyristor par suite d'un changement de la polarité de la tension appliquée) ayant une valeur telle que le processus d'extraction de la charge par le courant inverse devient un facteur décisif pour l'extinction du thyristor.En adoptant la largeur du shunt d'emetteur egale à la longueur de diffusion des porteurs dans la couche de base de type P, on obtient la répartition du plasma électrons-trous sur toute la surface du thyristor, d'où une réduction de la chute de tension sur le thyristor amorce. Il est avantageux de disposer les canaux shunts d'émet- teur dans la couche de base de type P à une profondeur correspon dant à la concentration d'impuretés de 1 x 1015cm au-plus et d'établir l'espacement de deux canaux shunts d'émetteur adjacents égal à au plus le double de la longueur de diffusion des porteurs dans la couche de base de type N faiblement dopée. Grâce à l'emplacement des shunts d'émetteur dans les zones de la couché de base de type P à concentration d'impuretes réduite, on réussit à raccourcir davantage le temps d'extinction du thyristor. L'espacement indiqué des shunts d'émetteur permet une résorption efficace de la charge dans les zones du thyristor situées entre les shunts d'émetteur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui suit de quelques exemples de réalisation, description dans laquelle on se réfère aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente en coupe longitudinale un thyristor conçu selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est la coupe suivant la ligne Il-Il de la figure 1, - la figure 3 montre également en coupe longitudinale un thyristor conçu selon un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3, la borne d'amenée de courant étant enlevée. Le thyristor de l'invention est une structure semi-conductrice comportant des couches alternées, notamment une couche émettrice 1 (figure 1) de type N, une couche de base 2 de type P fortement dopée, une couche de base 3 de type N faiblement dopée, et une couche émettrice 4 de type P. Ce thyristor est fabriqué en un matériau à base de silicium de type N ayant une résistivité d'environ 170 Ohms. La couche de base 2 est dopée pour avoir une concentration moyenne d'impuretés de 1 x 1016cm par diffusion de l'aluminium à partir d'une solution alcoolique à 0,1 % d'Al(N03)3 déposée à la surface de la couche 2. L'épaisseur de la couche de base 2 est de 80 > et celle de la couche de base 3 est de 500 . Aux couches émettrices 1 et 4 sont connectées des bornes d'amenée de courant respectivement 5 et 6. L'interface entre la couche de base 2 de type P et la couche émettrice 1 de type N forme la jonction base-émetteur 7, tandis qu'entre la couche de base 2 et la couche de base 3 de type N est formée la jonction base-émetteur 8 et entre la co#uche de base 3 et la couche émettrice 4 de type P, la jonction émettrice 9. La couche de base 2 peut avoir une concentration moyenne en impuretés inférieure à 1 x 1016cm-3, la limite inférieure de cette concentration moyenne étant déterminée par les exigences d'obtention d'un front de diffusion droit lors de l'execution des jonctions P-N, notamment la jonction collecteur-base 8 et la jonction émetteur-base 9. Afin d'assurer une bonne stabilité thermique de la ten sion de basculement et une constance dV satisfaisante, la jonction dt émettrice 7 est shuntée au moyen de canaux shunts d'émetteur 10 s'étendant depuis la couche de base 2 de type P, à travers la couche émettrice 1 de type N, jusqu'à la borne 5 d'amenée de courant. Comme on peut le voir sur la figure 2, les canaux shunts d'émet- teur 10 sont agencés sous forme-d'un réseau qui divise la-couche émettrice 1 en plusieurs aires élémentaires égales. La largeur "#" de chacun des canaux shunts d'émetteur 10 est égale à la longueur de diffusion des porteurs dans la couche de base 2- (figure 1), soit 50 . Il est évident que la largeur lltgl de chacun des shunts d'émetteur 10 peut être un peu inférieure à la longueur de diffusion des porteurs dans la couche de base 2, mais doit rester toujours supérieure à la valeur limite qui assure. encore la charge critique voulue du thyristor, pour la configuration imposée des shunts d'émetteur. En d'autres termes, l'aire totale des shunts d'émetteur 10 doit constituer au moins 10 à 15 e de la surface totale du thyristor.Cependant, la largeur E de chacun des shunts d'émetteur 10 ne doit pas dépasser la longueur de diffusion des porteurs dans la couche de base 2, parce qu'autrement les porteurs de charge injectés par la jonction émetteur-base 7 ne parviennent pas, au moment de l'amorçage du thyristor, aux zones situées au milieu des shunts d'émetteur 10, ce qui entraîne une perte de la surface utile du thyristor et une augmentation de la chute de tension dans celui-ci. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation du thyristor de l'invention, dans lequel les canaux shunts d'émetteur 10 sont décapés dans la couche de base 2 de type P et disposés à une profondeur présentant une concentration d'impuretés inférieure d'un 15 de ordre de grandeur la moyenne, soit égale 1 x 10 cl ou un peu moins. Une telle disposition réduit davantage le temps d'extinction du thyristor comme on le verra par la suite.Le décapage des canaux shunts d'émetteur 10 dans la couche de base 2 jusqu a une profondeur correspondant à la concentration inférieure à 5 x 10 cm 3 est à déconseiller puisque, d'une part, cela ne pourrait pas rendre plus efficace le processus d'extraction de la charge par le courant inverse et, d'autre part, les shunts d'émetteur 10 pourraient alors accéder à la région de la charge volumétrique de la jonction collecteur-base 8, ce qui conduirait à l'altération des autres caractéristiques du thyristor, en particulier à une diminution de la tension de basculement. La borne 5 d'amenée de courant -présente des saillies 11 qui s'engagent dans les shunts d'émetteur 10. La distance L entre deux canaux shunts d'émetteur 10 adjacents (figure 4) est égale au double de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans la couche de base 3 (figure 3), soit 200 #, en vue d'assurer la resorption de la charge dans les zones du thyristor situées entre les shunts d'émetteur 10. La distance L peut être inférieure au double de la longueur de diffusion des porteurs dans la couche de base 3 à condition que la valeur minimale de L satisfasse aux exigences de ne pas dépasser la perte admissible de la surface utile du thyristor. Autrement dit, l'aire totale des shunts d'émetteur 10 ne doit pas excéder 20 à 25 % de la surface totale du thyristor. Le thyristor qui vient d'être décrit fonctionne comme suit : pour déclencher le thyristor, on applique aux bornes 5 (figure 1), 6 d'amenée de courant la tension d'alimentation dont la polarité est opposée à celle indiquée sur la figure 1. Du fait de L'injection des électrons par la jonction émetteur-base 7 et de l'injection des trous par la jonction émetteur-base 9, les couches de base 2, 3 se remplissent de porteurs excédentaires, notamment du plasma électrons-trous dont la concentration est assez élevée pour la densité donnée du courant de fonctionnement (plus de 100 A/cm ). Le plasma électrons-trous submerge la jonction collectrice 8 en assurant l'inversion du signe de la polarisation. A l'extinction du thyristor moyennant le changement de la polarité de la tension d'alimentation appliquée aux bornes 5, 6 d'amenée de courant, il se produit dans les couches de base 2, 3 la résorption de la charge accumulée des porteurs excédentaires en raison de leur recombinaison qui dépend du temps de vie de ces porteurs.Il est à signaler que la jonction collecteur-base 8 submergée de plasma électrons-trous ne fait pas obstacle à la fuite des électrons excédentaires à partir de la couche de base 3 faiblement dopée dans la couche de base 2 et, de là, vers la borne 5 d'amenée de courant, vu que la concentration moyenne d'impuretés dans la couche de base 2 est de 1 x 1016cl 3. La fuite des électrons hors de la couche de base 3 permet aux trous excédentaires présents dans cette couche de sortir par la jonction émettrice 9 dans la couche émetteur-base 4 et ensuite vers la borne 6 d'amenée de courant. De cette façon, le thyristor est parcouru par un courant inverse qui extrait la charge accumulée des couches de base 2, 3 avec un raccourcissement très sensible du temps d'extinction du thyristor par rapport à celui qui est déterminé par la recombinaison seule. Quand la concentration du plasma dans la couche de base de type P devient inférieure à la concentration moyenne d'impuretés dans cette couche, la barrière de potentiel dans la jonction collecteur-base 8 commence à empêcher la fuite des électrons à partir de la couche de base 3. Mais, comme la concentration np des électrons dans la couche de base 2 à l'interface entre celle-ci et la jonction collectrice 8 est déterminée par le rapport np = P- /N où P est la concentration du plasma électrons-trous et NA est la n A concentration moyenne d'impuretés dans la couche de base 2, le thyristor continu d'être parcouru par un courant électronique intense tant que Pn ) 0,1 NA et c'est seulement après cela qu#e la recombinaison devient le facteur décisif pour la résorption de la charge. On voit donc que si la valeur de la charge critique (c'est-à-dire une concentration du plasma dans la couche de base de type N, qui est nécessaire pour qu'il y ait déclenchement du thyristor à la suite d'un changement de la polarité de la tension appliquée) est choisie supérieure ou égale à 0,1 NA, le thyristor pourra s'éteindre uniquement par extraction de la charge excédentaire à l'aide du courant inverse. La valeur appropriée de la char ge critique égale à 1 x 1015cm est obtenue en arrangeant les shunts d'émetteur 10 en forme d'un réseau. Des calculs ont -montré qu'une augmentation ultérieure de la charge critique serait inutile, car cela conduit à une réduction considérable de la vitesse de propagation de l'état d'amorçage du thyristor. Etant donné que la largeur des shunts d'émetteur 10 ne dépasse pas la longueur de diffusion des porteurs dans la couche de base 2, les porteurs injectés par la jonction émetteur-base 7 remplissent, dans leur propagation vers la jonction collecteur-base 8, les shunts d'émetteur 10 en autorisant l'inversion du signe de polarisation dans la jonction collecteur-base 8 et la modulation de la large couche de base 3 faiblement dopée, au voisinage des shunts d'émetteur 10. De cette manière, il n'y a pratiquement pas de perte de la surface utile du thyristor malgré le fait que les shunts d'émetteur 10 occupent une place assez importante.Les expériences montrent que la disposition proposée permet de réduire le temps d'extinction du thyristor, à la température de 1100C, de 30 % environ par rapport au thyristor connu décrit précédemment pour une faible valeur (de l'ordre de 100 V) de la tension inverse appliquée, et d'environ 50 % pour la valeur de la tension inverse voisine de celle de claquage par avalanche de la jonction émetteur- base haute tension 9. Le fait que la diminution du temps d'extinction du thyristor s'avère plus importante dans les conditions de la tension inverse élevée est du à l'élargissement, dans ces conditions, de la couche d'arrêt de la jonction émetteur-base 9 avec la réduction résultante de l'épaisseur effective de la couche de base 3, ce qui facilite l'extraction des porteurs excédentaires hors de celle-ci. La réduction de la concentration d'impuretés dans la 16 -3 couche de base 2 au-dessous de 1 x 10 cu devrait assurer une réduction encore plus importante du temps d'extinction du thyristor. Les expériences ont pourtant montré que si la concentration moyenne d'impuretés dans la couche de base 2 est inférieure à 8 x 1015cl on os ne réussit pas à réaliser la jonction collecteur- base 8 et la jonction émetteur-base 9 comme jonctions haute tension du fait qu'il est impossible d'obtenir par diffusion desqcou- ches à front de diffusion droit. Un raccourcissement ultérieur du temps d'extinction du thyristor est rendu possible grâce à la disposition représentée à la figure 3. A l'extinction du thyristor, lorsque la concentration du plasma électrons-trous dans les couches de base 2 (figure 3), 3 tombe au-dessous de la concentration d r impuretes dans la couche de base 2 de type P, la jonction collecteur-base 8 commence à faire obstacle à la fuite des électrons hors de la couche de base 3 faiblement dopée, sur toute sa surface sauf les zones 12 situées sous les shunts d'émetteur 10.La fuite des électrons continue dans ces zones 12 jusqu'à ce que la concentration du plasma dans la couche de base 2 atteigne un niveau inférieur à 0,1 x 1015cl 3. La re- duction de la concentration du plasma dans les zones I2 de la couche de base 3 situées sous les canaux shunts d'émetteur 10 fait que le plasma y diffuse à partir des autres zones de la couche de base 3, en augmentant ainsi la vitesse de résorption de la charge dans le thyristor et en réduisant, par conséquent, son temps d'extinction. Par ailleurs, comme la distance entre les canaux shunts d'émetteur 10 ne dépasse pas le double de la longueur de diffusion des porteurs dans la couche de base 3, la diffusion du plasma à l'intérieur des zones 12 assure une diminution efficace de la concentration du plasma dans les autres zones de cette couche. La structure du thyristor du mode de réalisation représente sur la figure 3 permet de réduire le temps d'extinction, à la température de îlO0C, de plus de 50 % par rapport à celui du thyristor connu décrit précédemment pour une faible valeur (de l'ordre de 100 V) de la tension inverse appliquée, et de 70 % pour la valeur de la tension inverse voisine de celle de claquage par avalanche de la jonction émettricerliaute tension 9. La tension de basculement dans les deux structures décrites du thyristor de l'invention est de 3,2 kV et la tension résiduelle est d'environ 2 V pour une densité du courant de fonctionnement de l'ordre de 100 A/cm2. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Thyristor comprenant une couche de base de type P fortement dopée et une couche de base de type N faiblement dopée Situé entre deux couches émettrices, l'une de type N et l'autre de type P, ainsi que des canaux.shunts d'émetteur pour shunter la jonction émetteur-base qui s'étendent depuis ladite couche de base de type P jusqu'à une borne d'amenée de courant, caractérisé par le fait que la concentration moyenne d'impuretés dans ladite couche de base de type P fortement dopée est égale à 1 x 1016cl 3 au plus et que lesdits canaux shunts d'émetteur sont agences de façon à former un réseau, la largeur de chacun d'eux ne dépassant pas la longueur de diffusion des porteurs dans ladite couche de base de type P. 2. Thyristor suivant là revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits canaux shunts d'émetteur sont disposés dans ladite couche de base de type P à une profondeur correspondant à la concentration d'impuretés de 1 x 1015cm#3 au plus et que l'espacement de deux shunts d'émetteur adjacent est égal au plus au double de la longueur de diffusion des porteurs dans ladite couche de base de type#N faiblement dopée.