Brevet FR2524715A1 — publié le 19831007

DIODE RAPIDE. La présente invention concerne une diode rapide pouvant par exemple avoir une fonction de redressement ou de diode roue libre dans un circuit hacheur. Plus particulièrement, l'invention propose une telle diode ayant des caractéristiques amnliorées lors de la commutation de l'état conducteur à l'état bloqué, c'est-à-dire une meilleure caractéristique de blocage. Bien que cet aspect ne soit pas développé ici, on notera de façon générale qu'une diode ayant de bonnes caractéristiques de commutation au blocage présente aussi une meilleure commutation à l'établissement, c'est- à-dire lors du passage de l'état bloqué à l'état conducteur. Pour mieux faire comprendre la présente invention, on va définir d'abord les principaux paramètres caractérisant le blocage d'une diode On rappellera aussi certaines explications théoriques sur les phénonmènes physiques intervenant lors du blocage Néan- moins, même si les théories actuelles sur le blocage s'avèrent erronées, la diode selon l'invention est définie par ses caractéristiques structurelles et une erreur dans l'exposé théorique ne saurait influer sur la présente invention dont les avantages ont ete prouves experinentaleiaent. Les figures 1, 2 et 3 caractérisent des diodes rapides classiques. Comme le nontre la vue en coupe de la figure 1, une telle diode est couramment de type PNN+. La figure 2 indique en trait plein la concentration en atomes dopants dans une telle diode. Comme l'indique la courbe en tirets longs de cette figure 2, lorsqu'un courant direct passe dans cette diode, une certaine quantité de charges est injectée dans la zone faiblement dopée de type N Cette quantité de charges ou de porteurs injectés dépend du courant traversant la diode La quantité de charges emmagasinée pendant la conduction directe et jeneurant à l'instant to du cycle de coinmutation est courai; ent d Isignée par le synbole Qo et est appelée charge stockée Elle s'exprime par une relation du type: 9 _QOVIF ouIn On J r 2 d IF/dt selon la valeur de la durée to tcpar rapport à la valeur de o ' est la durée de vie des porteurs minoritaires dans la zone de type N de la diode et o Iv est le courant direct dans la diode. Ouand on inverse la tension aux horaes du circuit comprenant la diode ou que le courant est dérivé dans une autre partie du circuit, on ne retrouve pas immrdiatement aux bornes de cette diode une tension de valeur égale à celle de la tension inverse appliquée Au contraire, il s'écoule un certain temps durant lequel la diode peut être assimilée à un court-circuit en inverse, avant qu'elle ne retrouve son pouvoir de blocage. En effet, pendant la commutation, pour une diode rapide, une partie de la charge QO disparaît spontanément par recom- binaison interne (liée à la durée de vie des porteurs minoritaires), mais l'autre partie, appelée charge recouvrée QR, qui intervient essentiellement dans le phnomène étudié est evacuée par le courant inverse circulant dans la diode C'est cette charge recouvrée qui produit le courant inverse de recouvre- ment et induit tous les phénomènes de commutation (surtension, échauffement, parasites, etc). Le recouvrement inverse peut être decompose en deux par- ties (voir aussi la figure 3). Dans une première partie, dès l'instant de fermeture tf de l'interrupteur du circuit de connmmutation, le courant direct comnmence à décro Itre, s'annule et un courant inverse irr s'établit La vitesse de décroissance du courant direct, puis de croissance du courant inverse est en général exclusivement imposée par le circuit dans lequel est insérée la diode Pendant cette prernière partie, une quantité de charges Q 1 est évacuée. Dans la deuxième partie, après l'instant tl, pour lequel le courant inverse atteint un maximumr I Wf, la diode retrouve son pouvoir de blocage Les abords de la jonction deviennent libres de porteurs (création d'une zone déserte ou zone de charge d'espace). Il reste à évacuer une charge Q 2 correspondant à la zone hachurée en figure 3 tandis que le courant inverse décroît et s'annule. Finalement, après l'instant t 2, la variation de courant étant nulle, il ne reste aux bornes de la diode que la tension inverse appliquée. Pour déterminer plus exactement le fonctionnement, il convient d'examiner à quels paramètres physiques correspondent les charges QI et 02 On considérera l'allure de la zone déserte ou zone de charge d'espace dans la diode dans deux cas particuliers. En figure 2, on a reporté en pointillés serrés des courbes EA et EB indiquant la distribution du champ électrique quand la diode est dans l'état bloqué Dans le cas de la courbe EA, l'épaisseur de la zone N est supérieure à la largeur WE de la zone déserte. Dans le cas de la courbe EB, la zone deserte s'étend sur toute l'épaisseur de la couche N. Pendant la période s'étendant entre les instants to et tl, on élimine notamment tous les porteurs injectas qui se trouvent dans la région dans laquelle se développe la zone de charge d'espace Dans le cas de la courbe EA (couche N épaisse devant l'étendue de la zone déserte) il va rester des porteurs injectés après cette première phase et la charge Q 2 correspond à des porteurs qui se trouvaient dans la zone hachurée de la figure 2 Dans le cas de la courbe EB, la charge 02 est pratiquement nulle et en conséquence la durée s'écoulant entre les instants t 1 et t 2 est très brève: le courant inverse passe très vite de son amplitude maximale IR,, à une valeur nulle Il résulte de cette variation très rapide du courant la création de surtensions VRII importantes. Pour réaliser en pratique une diode rapide pour laquelle la charge d'espace a la configuration indiquée par la courbe EA, on part de la tension inverse à obtenir Celle-ci détermine la résistivité du silicium N à utiliser Cette donnée étant acquise, on calcule l'extension de la charge d'espace WE et on choisit l'épaisseur de la couche N, WN, supérieure à WE On procède en final à une réduction de la durée de vie T 7 des porteurs r inori- taires (diffusion d'or, de platine; boubardement klectronique); c'est en effet cette donnée physique qui, pour des conditions TF et d IF/dt données, aère la quantité de charges stockées QO O et, à partir de là, la rapidité de commutation de la diode (tl-t O, t 2-t 0, I i) On ne peut pas réduire à volonté la durée de vie Pour que la diode conserve des caractéristiques correctes à l'état conducteur (caractéristique VF = f(IF) ) on est tenu de maintenir la durée de vie au dessus d'une valeur minimale qui dépend essentiellement de l'épaisseur r: de la couche ' centrale et dont la valeur minimale est proportionnelle à,N On ne peut donc réduire au-delà d'un certain seuil la charge Qo e VZ: IF et partant le temps de recouvremrent de la diode. Ainsi pour réduire 00, il faut pouvoir réduire la durée de vie et donc l'épaisseur de la couche r de la diode et passer à une configuration correspondant à la courbe EB de la figure 2 On utilise maintenant pour une même tenue en tension inverse une résistivité de silicium beaucoup plus élevée Sous tension inverse, la décroissance du champ à partir de la jonction sera lente (courbe EB) et on détermine l'paisseur de la couche N, WN, pour obtenir la tenue en tension visée On peut réduire cette épaisseur dans un rapport pratiquement égal à 2 par rapport au cas précédent Ceci permettra donc de réduire la durée de vie à un niveau considérablement plus faible (en principe 4 fois plus faible) et donc d'obtenir des diodes beaucoup plus rapides pour lesquelles la valeur d'Ip% est beaucoup plus faible que dans le cas précédent Miais, comme on l'a vu, l'inconvénient est que la charge 02 est alors très faible et qu'il se produit de fortes sur- tensions à la commutation. C'est l'un des objets principaux de la présente inven- tion que de fournir une diode qui, d'une part, soit extrêmement rapide, et, d'autre part, présente une faible surtension à la com- mutation. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une diode P Nl U+ à commutation rapide à l'ouverture (au blocage) comprenant, sur un substrat de type N à- fort niveau de dopage, une première couche de type P formée par épitaxie à faible niveau de dopage dans laquelle la durée de vie des porteurs est fortement réduite et une couche de type P à fort niveau de dopage, et comprenant en outre une deuxième couche épitaxiée de type N entre le substrat et la première couche et dont la concentration en impuretés, intermédiaire entre celle du substrat et celle de la première couche, est inférieure à la densité de porteurs libres injectés dans cette deuxième couche lors de la phase de conduction au courant direct nominal juste avant la commutation, l'épaisseur de cette deuxième couche étant telle que, pour la tension nominale de fonctionnement à l'état bloqué, la zone déserte atteigne cette couche sans néanmoins qu'elle soit complètement désertée. Les caractéristiques et avantages de la présente inven- tion seront exposes plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 à 3 ont été décrites précédemment pour rappeler l'état de la technique, la figure 4 est une vue en coupe schématique d'une diode selon la présente invention, la figure 5 représente diverses courbes caractéris- tiques de la structure et du fonctionnement d'une diode selon la présente invention, les figures 6)A et 6 B représentent respectivement la variation du courant et de la tension lors du blocage pour une diode selon la présente invention en comparaison de diodes classi- ques. La figure 4 représente une vue en coupe très schématique d'une diode selon la présente invention Cette diode est élaborée à partir d'un substrat 10 de type N+ et comprend les couches classiques Il de type N et 12 de type P+ En outre, cette diode comprend une couche intermédiaire 13 de type N, dite N 1, entre le substrat 10 de type N+ et la couche faiblement dopée 11 de type N. Commle cela est classique, les couches 10 et 12, respectivement de type N+ et P+, ont des niveaux de dopage aussi élevés que possible, supérieurs à 1019 atones/cm 3 La couche 11, quasiment intrinsèque, a un niveau de dopage de l'ordre de 1013 à quelques 1014 atoies/c 3 Dans une configuration courante, la couche Ni a un niveau de dopage de l'ordre de quelques 1014 à 1 n 16 atomes/cm 3, mais on verra que ce niveau de dopaîe est fonction des caractéristiques de fonctionnement nominal de la diode Les couches N 1 et N sont de préférence formées par épitaxies suc- cessives sur le substrat N+ La couche P+ est par exemple formée par diffusion dans la couche T. La figure 5 représente en trait plein la variation de concentration de dopants dans la diode en fonction de l'épaisseur. En tiretés longs, on a indiqué la concentration de por- teurs libres en excès à l'instant t O du cycle de commutation. Cette quantité de porteurs dépend du courant nominal dans la diode et/ou de la vitesse de conmutation imposée par le circuit. La courbe en tiretés serrés indique la distribution du champ électrique quand la diode est dans l'état bloque, WE désignant l'extension de la zone déserte quand la diode est dans l'état bloqué pour la tension nominale qu'elle est amenée à supporter. En reprenant les notations de la figure 3, lors du blo- cage de la diode, entre les instants t O et tl, les porteurs injectés se trouvant dans la zone qui va être désertée à l'instant tl sont éliminés, et c'est une partie des porteurs situés dans la zone hachurée de la figure 5 qui va correspondre à la charge Q 2 evacuée entre les instants tl et t 2. Selon l'invention, il est essentiel que ces porteurs soient en nombre suffisant pour que la transition entre les instants tl et t 2 ne soit pas trop courte et que l'on ne provoque pas ainsi une surtension VR Il trop importante. Pour ajuster la durée s'écoulant entre les instants tl et t 2, on jouera selon la présente invention sur l'épaisseur et sur le niveau de dopage de la couche N 1 Ce niveau de dopage, intermédiaire entre les niveaux de dopage des couches N et +, devra être inférieur à la densité de charge injectée lors de la conduction directe. Les figures AA et 6 B reproduisent des oscillogrammes réalisés par le demandeur et illustrant le fonctionnement de diodes selon la présente invention par rapport à des diodes de l'art antérieur. Les courbes 20, 30, 40 représentent les variations du courant I en fonction du temps et les courbes 21, 31, 41, les variations de la tension V en fonction du temps aux bornes d'une diode dans le cas d'une diode rapide "épaisse, d'une diode très rapide selon l'art antérieur, et d'une diode selon la présente invention. Les courbes 20 et 21 correspondent au cas d'une diode rapide, classique, pour laquelle l'épaisseur WN de la couche N est supérieure à l'extension WE de la zone de charge d'espace: la charge 01 est importante et par conséquent Ipl a une valeur élevée et la charge Q 2 est suffisante pour qu'il n'y ait pas d'oscillations de tension. Les courbes 30 et 31 représentent ce qui se passe dans le cas d'une diode telle qu'illustrée en figures 1 et 2 quand l'épaisseur WN de la zone N devient inférieure à l'étendue que devrait normalement occuper la zone de charge d'espace dans une zone de ce type Lors du blocage, la charge Q 1 étant faible, IRH est nettement inférieur à sa valeur précédente, mais il se produit de très fortes surtensions et oscillations de tension et de courant en raison de la très faible valeur de la charge Q 2 * Conformément à la présente invention, comme le montrent les courbes 40 et 41, ces surtensions sont évitées avec une diode comprenant une couche épitaxiée supplémentaire NM La diode selon la présente invention cumule les avantages des deux types de diodes rapides selon l'art antérieur: faible valeur de tl-to et de IRM et limitation de la surtension et des suroscillations de tension Des essais réalisés par l'homme de l'art permettront, pour une tension et un courant nominaux choisis de fonctionnement de la diode, ainsi que pour une vitesse de coupure d IF/dt supérieure à un seuil déterminé, de déterminer l'épaisseur et le niveau de dopage de la couche épitaxiée Nl en fonction du niveau de surtension toléré. A titre d'exemple, des oscillogrammes correspondant aux courbes 40 et 41, pour lesquelles le courant à l'état passant était de 30 A et la tension inverse de 200 'V d IF/dt étant de A/microseconde ont été relevés pour une diode ayant une sur- face de jonction de 0,3 cm 2 avec les caractéristiques suivantes: couche P+: concentration superficielle Cs = 1,5 ln 20 at/cm 3, couche N: épaisseur WN = 25 microns résistivité 35 ohns cmi ( 1,4 1014 at/cn 3) couche N 1: épaisseur WN 1 = 15 microns résistivité 5 ohms cm ( 9,6 1014 at/cm 3), la durée de vie ayant été réduite par diffusion d'or à 935 C. De même dans le cas d'un courant à l'état passant de 90 A et d'une tension inverse de 1000 V, d IF/dt étant égal à A/microseconde, une diode d'une surface de 0,3 cm 3 peut être construite avec les paramètres suivants: couche P+: CS = 1,5 1020 at/cm 3 couche N+: WN = 60 microns résistivité 60 ohms cm ( 1,8 1013 at/cm 3) couche N 1: WN 1 = 15 nicrons résistivité 2 ohns cm ( 1,5 1015 at/cm 3) la durée de vie étant réduite par diffusion d'or à 910 C. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits; elle en englobe au contraire les diverses variantes et généralisations incluses dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS. 1 Diode Plût à commutation rapide à l'ouverture compre- nant sur un substrat ( 10) de type e à fort niveau de dopage, une première couche ( 11) de type N à faible niveau de dopage dans laquelle la durée de vie des porteurs est fortement réduite et une couche ( 12) de type P à fort niveau de dopage, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une deuxième couche ( 13) de type N (couche NI) entre le substrat et la première couche et dont la concentration en impuretés est intermédiaire entre celle du substrat et celle de la première couche, l'épaisseur de cette deuxième couche étant telle que, pour la tension nominale de fonc- tionnement à l'état bloqué, la zone déserte atteigne cette couche sans néanmoins qu'elle soit complètement désertee. 2 Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deuxième et première couches sont formées par épitaxies successives. 3 Diode PNN+ selon la revendication 1, caractérisée en ce que la durée de vie des porteurs dans la couche de type N est réduite par diffusion d'or ou de platine. 4 Diode PNN+ selon la revendication 1, caractérisée en ce que la concentration en impuretés de la couche NI est inférieure à la densité des porteurs libres en excès au moment de la commutation pour les conditions de fonctionnement nominal de la diode (courant nominal, vitesse de coupure de ce courant). Diode PNN+ selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la couche N a un niveau de dopage de l'ordre de 1013 à quelques 1014 atomes/cm 3, et la couche NI de l'ordre de quelques 1014 à 1016 at /cm 3. 6 Diode PNN+ selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la couche NI a une épaisseur de l'ordre de 10 à 50 microns.