Brevet FR2458145A1 — publié le 19801226

L'invention concerne une structure monolithique, comportant un composant semi-conducteu:r et un sapteur de dérive thermique et un système de régulation en température d'un composant électronique utilisant une telle structure On sait que les caractéristiquesdes composants semiconducteurs varient avec la température. A titre d'exemple, pour une diode redresseuse, la caractéristique représentant le courant redressé en ronction de la tension appliquée aux bornes se déplace avec la température ; de meme les paramètres caractéristiques d'un transistor S effet de champ ou d'une photodiode à avalanche varient avec la température. Dans la preiSçnte invention, on utilise 11. évolution en fonction de la température d'un capteur de dérive thermique, par exemple une diode redresseuse, pour obtenir à l'aide de divers moyens la compensation de la dérive thermique d'un autre composant semi cônducteur La structure selon l'invention comporte un certain nombre de régions semi-conductrices incorporées au substrat ou contigiles à celui-ci, une partie des régions semi-conductrices pouvant cons- tituer un composant électronique, la structure étant caractérisée en ce qu elle comporte des éléments semi-conducteurs pouvant former un capteum de dérive thermique lorsqu'on fait traverser le senseur par un courant continu constant, le capteur étant placé dans la structure de telle sorte que le composant, le substrat et le capteur forment un empilage. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaitront, au moyen de la description qui suit, en se reportant aux dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels La figure I représente schématiquement une structure monolithique selon l'invention, comportant outre le composant électronique, un capteur de dérive thermique et un dispositif de régulation, ce dernier n'étant représenté que d'une façon symbolique. Les figures 2 à 5 représentent schématiquement diverses réalisations de l'invention. Soit un bloc monolithique 1 (figure 17 en matériau semiconducteur. comportånt- des régions semi-conductrices différant entre elles soit par la nature et le dopage du matériau,*soit par la nature du dopage, soit enfin par la quantité d'impureté dopante . A la périphérie d'une région centrale Do sont implantées par divers moyens (diffusions épitaxie) des régions D1, D2 ... Dn, et deux régions d1 et d2 destinées à constituer, grâce à l'adjonction d'électrodes K1 et K2, un -capteur de dérive thermique de la structure monolithique 1. De façon symbolique,-on a représenté en 2 un dispositif de contre-réaction , comportant généralement une source électromotrice à courant constant, auquel sont branchées les électrodes K1 et K2, d'une part, et d'autre part, des électrodes Eo et Et, implantées dans les régions Do et D1 d'après des critères qui. seront indiqués ci-après. Les autres électrodes E2 ... En sont implantées dans les régions D2 ... Dn et reliées des dispositifs (représentés seulement par des flèches) destinés fixer leurs potentiels d'une part, et d'autre part, à acheminer des signaux d'entrée et de sortie en vue de l'utilisation du dispositif semi-conducteur à réguler. On suppose dans tout ce qui suit que les diverses régions du bloc 1 sont approximativement à la même température au même instant, ce qui est le cas, même pour les composants semiconducteurs de puissance, lorsque la résistance thermique de l'ehsemble est suffisamment faible. La solution apportée par l'invention au problème posé plus haut consiste à choisir des électrodes, ici Ex et El, de telle sorte que l'application, éntre ces électrodes, d'une tension de contre-réaction élaborée 'à partir de la tension recueillie aux bornes du senseur compense au moins partiellement la dérive thermique d'une caractéristique prédéterminée du composant d réguler. On utilise, pour créer cette tension, des moyens, symbolisés par un amplificateur opérationnel (A.O.), qui applique entre les électrodes Ki et K2 du capteur une tension telle que l'on obtienne par les moyens précités, par ailleurs classiques, une tension de sens et de-grandeur voulus pour obtenir 11 effet recherché. Figure 2, on a représenté, à titre d'exemple, une réalisation de 17invention dans laquelle on trouve une structure monolithique formant un bloc 1 cylindrique, d'axe ZZ, groupant une photodiode à avalanche et un bipale de régulation constitué par une diode redresseuse. Le bloc l comporte un substrat sa en matériau semi-conducteur dopé p+, par exemple en silicium monocristallin.On a fait croitre par épitaxie , a partir de ce substrat, une couche 11 (p ) puis, par différents moyens classiques, créé des régions 12 (dopée p) et 13 (dopée n) et un anneau de garde 14 (dopé p), l'ensemble de ces régions présentant#une symétrie. de révolution autour de -l'axe ZZ. Après dépôt d'une mince couche de silice 17, on a ouvert dans cette couche des fenetres dans lesquelles on a déposé des contacts osmiques annulaires 15 et 16, lesquels forment, avec la masse p , une photodiode à avalanche dont la couche 17 remplit une fonction anti-reflet pour les rayons lumineux 20. Le raccordement du substrat 10 au système de régulation s'effectue grâce à une électrode annulaire 18 implantée dans un anneau p++. Enfin une région centrale n+ est créée, par exemple par diffusion d'atomes de zinc, sur la face du bloc opposée à la face d'entrée des rayons 20. Une électrode 19 est implantée dans la région n Le système de régulation est analogUe à celui de la figure 1. Les électrodes K1 et K2 sont les contacts ohmiques 18 (à la masse) et 19 de la diode p - n intégr#ée dans le bloc 1. L'amplificateur opérationnel (A.O.) fournit une tension de régulation intercalée dans le retour de masse de la source- d'alimentation 21 de la photodiode à avalanche. Figure 3, on a représenté une variante de la réalisation de la figure 2, dans laquelle le bloc 1 comporte, outre les régions t0 à 13, qui constituent une photodiode à avalanche une couche 30 (i) semi-isolantè (ou intrinsèque) et une couche 31 (n ). Les couches 30 et 31 forment, avec le substrat 10 une diode du type p-i-n. Afin de faciliter l'implantation d'un contact ohmique sur la partie supérieure du bloc 1. Un contact ohmique 32 est implanté dans la partie p du flanc de la structure mésa. L'ensemble de la structure monolithique-est soudée à une embase métallique 33 comportant des traversées isolantes 331 et 332. Les connexions de raccordement 34 et 35 des électrodes 15 et 32 empruntent ces traversées pour relier la structure à un circuit d'alimentation régulée analogue à celui de la figure 2. On parvient à simplifier le système de régulation--d'une photodiode à avalanche en utilisant une structure technolo gîquement tres proche de celle de la figure 3 mais dans laquelle la diode p-i-n est remplacée par une résistance en matériau semi conducteurs (p+ p p ) les couches 30 et 31 étant remplacées par + les couches 40 (p ) et 41 (p ). On sait en effet que pour un dopage en impuretés p à un taux situé par exemple entre 1015 et î017 atomes par centimètre cube on observe une augmentation de la résistivité avec la température.Un résultat analogue s'observe avec une résistance dopée avec des impuretés n, soit une résistance (n+ ,- n , n ) avec un autre type de semi-conducteur. Dans les conditions qui précèdent le système de régulation est par exemple le suivant : le retour à la masse de la source 21, après la traversée de la photodiode proprement dite, s'effectue à travers les régions semi-conductrices de la résistance (p P p ) et l'électrode 19. Entre les électrodes 32 et 19, soit aux bornes de la resistance, on fait passer un courant continu constant au moyen d'une source 22 de grande impédance interne. On choisit l'intensité de ce courant pour créer la chute de tension optimale compte-tenu de 11 effet de régulation à créer. Pour certaines photodiodes à avalanche il peut etre pos sigle de supprimer la source 22, l'effet de régulation étant suffisant pour l'utilisateur sous l'action du courant de retour à la masse de la source 21. La figure 5 représente ce cas sim plifié. Figure 6, on a représenté une application#de l'invention à la régulation d'un transistor à effet de champ dont la source S, la grille G et le drain D sont implantés dans la région 51 (n) d'une structure semi-conductrice monolithique comportant en outre des régions 52 (intrinsèque) 53 (n) et 54 (p+), cette dernière n'occupant qu'une partie de la face oposée à la face d'implantation du transistor. Les régions 53 et 54, oR sont implantées des électrodes K1 et K2, constituent le diple de régulation du transistor. On a par exemple le schéma électrique d'utilisation ci-aprèsv La grille G et le drain D sont polarisés, par rapport å la masse M, par des alimentations 55 et 56. La source du transistor à effet de champ, S, n'est pas reliée à cette masse, mais à une borne 60 placée à la sortie d'un amplificateur 61, dont 11 autre borne de sortie 59 est à la masse. Un pont potentiométrique est réalisé entre le pale 56 de la polarisation de drain et la masse, à travers une résistance 62 et la diode (K1, K2) prise dans le sens p-n. La prise potentiométrique 57 se confond avec une borne d'entrée de l'amplificateur 61 > -l'autre borne d'entrée étant à la masse. Le fonctionnement de la régulation est le suivant : lorsque la température s'élève, le gain du transistor augmente ; pour compenser cette augmentation on effectue une contre-réaction par l'intermédiaire de la tension de sortie de ltampîifîcateur 61 appliquée à la source S du transistor à effet de champ. On voit, en effet, que le potentiel de la borne d'entrée 57 varie en fonction de la tension aux bornes de la diode de régulation (K1, K2) et par conséquent avec la température. REVENDICATIONS 1. Structure monolithique comportant un substrat semiconducteur et un certain nombre de régions semi-conductrices incorporées au substrat ou consignes à celui-ci, une partie des régions semi-conductrices pouvant constituer un composant électronique, la structure étant caractérisée en ce qu'elle comporte des éléments semi-conducteurs pouvant former un capteur de dérive thermique lorsqu'on fait traverser le-senseur par un courant continu constant, le capteur étant placé dans la structure de telle sorte que le composant, le substrat et le capteur forment un empilage. 2. Structure suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le composant électronique est une diode à avalanche, le capteur étant constitué par une diode formée dans le substrat. 3. Structure suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le composant électronique est une diode à avalanche dont le substrat est contigü à des régions semi-conductrices constituant avec le substrat une diode de type p-i-n. 4. Structure suivant la rev#endication 3, caractérisée en ce que la diode comporte une gravure mésa mettant à nu une partie du substrat dans laquelle on a implanté un contact ohmique. 5. Structure- suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le composant électronique est une diode à avalanche dont le substrat est contigü à une région semi-conductrice présentant une résistance ohmique#variabIe aveè la température. 6. Structure suivant la revendication 5, caractérisée en ce que la diode comporte une gravure mésa mettant à nu une partie du substrat dans laquelle on a implanté an contact ohmique. 7. Structure suivant l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que la diode à avalanche est une photodiode à avalanche. 8. Structure suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le composant électronique est un transistor à effet de champ, le capteur étant constitué par une diode formée dans le substrat. 9. Système de régulation d'un composant électronique faisant partie d'une structure suivant la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens électriques alimentent le capteur à courant constant et des moyens électroniques élaborent, R partir de la tension recueillie aux bornes du senseur une tension de contre-réaction que l'on applique en des points prédéterminés de la structure pour compenser la dérive thermique d'une caractéristique prédéterminée du compos#ant électronique. 10. Système de régulation suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le composant électronique étant une diode à avalanche, le capteur est constitué par une région semi- # conductrice contigüe au substrat, située du cté opposé à la diode, le dopage de cette région étant choisi de façon à obtenir un coefficient de variation positif de la résistivité en fonction de la température.