Brevet FR2535900A1 — publié le 19840511

APPAREIL BIPOIAIRE A SEMI-CONDUCTEURS ta présente invention concerne les appareils à semi conducteurs et plus précisément, les appareils à semi conducteurs bipolaires. la présente invention peut être appliquée avantageus#nt pour créer des appareils à semi-conducteurs bipolaires au silicium, prévus pour commuter des circuits à tension alter native, former des impulsions bipolaires à flanc raide et protéger les circuits électriques contre les surintensités. A présent la tendance du développement des appareils semi-conducteurs bipolaires, par exemple des transistors et des thyristors puissants au silicium, est à la création d'appareils possédant un large complexe de propriétés fonctionnelles. les critères d'efficacité de ces appareils, sont, en plus de l'ensemble de fonctions qu'ils remplissent, des caractéristiques telles que la rapidité de réponse la stabilité électrique aux températures élevées, la tension résiduelle, la linéarité de la caractéristique tension-courant à l'état débloqué. les thyristors (y compris les thyristors symétriques - les symistors) permettent bien de réaliser la commutation d'une tension alternative, cependant leur blocage ne peut être réalisé qu'au moment d'une diminution du courant de charge, aux autres instants pour les bloquer il faut avoir recours à des dispositifs complexes formant des impulsions puissantes de tension inverse. Tes thyristors, comparés aux transistors, sont également caractérisés par une valeur élevée de la tension résiduelle à l'état débloqué et par des vitesses de réponse intérieures. l'utilisation de transistors ordinaires au silicium dans les circuits à tension de polarités variable est rendue difficile à cause de la faible valeur de la tension de claquage en retour. On connais un appareil à semi-conducteurs bipolaire représentant un transistor au silicium à émetteur épitaxial (voir, par exemple, Structure Nouvelle pour un transistor bipolaire "Electrotechnika" 1974, #03,c3-6) com portant deux régions à conduction du même type l'une ser ant de région collecteur, l'autre, de région émetteur suivant la polarité de la tension appliquée, une région de base se situant entre elles, une région d'isolement de la région du collecteur par rapport à la région de l'émetteur, qui se situe à la périphérie d'au moins lune d'elles et re liée à la région de base, deux zones d'emplacement de con tact, dont l'une est située au-dessus de la région collec teur et l'autre au-dessus de la région émetteur et, possé dant sur la zone de contact correspondante une fenêtre de contact se situant au-dessus de l'endroit où se trouve cette zone de contact, deux contacts métalliques, chacun desquels est relié électriquement à la zone de contact cor respondante, un contact métallique de commande, relié élec triouement à la région de base. Dans cet appareil le contact métallique de commande est relié à la région d'iso lement de la région du collecteur par rapport à la région de l'émetteur. Cependant dans cet appareil il est impossible d'attein dreson état bloqué avec une polarité quelconque de la ten sion appliquée entre les contacts métalliques de puissance du fait que la jonction p-n entre la région collecteur et la région base est bloquée avec une polarité de la tension appliquée à la région collecteur et déboquée avec l'autre polarité de la tension, ce qui provoque le passage d'un courant entre les contacts métalliques et , à son tour, empêche de bloquer l'appareil, quand la polarité de la ten sion appliquée est changée. la présente invention vise un appareil à semi-conduc teurs bipolaire, comportant des éléments supplémentaires pour bloquer l'appareil indépendamment de la polarité de la tension appîliquée. Selon l'invention, l'appareil à semi conducteurs bipolaire comporte : deux régions à conduction du même type,dont l'une desquelles sert, en fonction de la po larité de la tension appliquée, de région collecteur,et dont l'autre sert de région émettrice; une région de base se si tuant entre elles; une région pour isoler le collecteur par rapport à l'émetteur, se situant à la périphérie d'au moins l'une d'elles et reliée à la base, deux zones d'emplacement de contact, dont l'une se trouve dans la région collecteur et l'autre, dans la région émetteur; un revêtement passivant sur les régions collecteur ou émetteur et sur la zone de contact correspondante, possédant une fenetrede contact au-dessus de l'endroit où se situe cette zone-de contact; deux contacts métalliques, chacun desquels est relié électriquement à la zone de contact cor respondante;et un contact métallique de commande, relié électriquement à la région de base;et il est caractérisé en ce que dans les régions collecteur et/ou emetteur,ilest prévu au moins une région d'injection, dont le type de conduction correspond au type de conduction de la région de base et qui se trouve à une distance de cette dernière égale à e1 > esse2, où est une distance égale à 1 à 2 fois la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires de celle des régions, collecteur émetteur, où se trouve la région dtinåection;; 82 est la distance minimale assurant la tension de claquage nécessaire entre la région d'injection et la région de base. Dans le revêtement de passivation est aménagée une fenêtre de contact qui se situe au-dessus de la région d'injection, tandis que le contact métallique de commande est relié à la région d'injection à travers-la fenêtre de contact. Il est avantageux que l'appareil à semi-conducteurs bipolaire, en cas d'une multitude de régions d'injection, dont les unes sont disposées dans la région collecteur, et les autres, dans la région émetteur , comporte des régions émetteurs de commande d'une conduction du type opposé à celle du type de conduction des régions d'injection, chacune desquelles est disposée dans la région d'injection correspondante, les fenêtres de contact pratiquées dans le revêtement passivant correspondant aux régions d'injection se situant au-dessus des zones de régions émettrices d'injection et metteurs de commande. la présente invention permet de bloquer un appareil à semi-conducteurs bipolaire indépendamment de la polarité de la tension appliquée. les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins donnés en annexe où: la figure 1 est la vue d'ensemble d'un appareil à semi-conducteurs bipolaire, en coupe transversale, selon l'invention; la figure 2 est la vue dsensemble d'un appareil à semi-conducteurs bipolaire au cas d'une multitude de régions d'injection avec des régions émetteurs de commande (en coupe transversale), selon l'invention; la figure 3 est la vue selon la fleche A de la région d'injection avec une zone d'émetteur de commande dotée d'un contact de commande métallique partiellement enlevé, selon l'invention. I' appareil à semi-conducteurs bipolaire selon l'invention comporte deux régions 1, 2 (fig. 1), dont l'une sert de région collecteur et l'autre, de région émetteur, selon la polarité de la tension appliquée. la région 1 est réalisée, par exemple, en monocristal de silicium à conduction du type n avec une concentration d'impuretés d'alliage de l'ordre de 0,5 à 2po1014 cm#3, tandis que la région 2 , réalisée avec le marne matériau, est obtenue par croissance épitaxiale. la région de base 3, se situant entre les régions 1 et 2, est obtenue par alliage ionique de la région 1 avec une impureté acceptrice avant la croissance épitaxiale de la région 2. la région de base 3 est reliée à une région 4 isolant l'une par rapport à l'autre les régions collecteur 1 (2) et émetteur 2(1). Dans les régions 1, 2, se situent les zones adhérant respectivement aux contact 5 et 6, qui possèdent une concentration en impureté d'alliage, par exemple de phosphore, allant jusqu'à 1021cm-3. Dans la r#égion 2 se situe une région d'injection 7, dont le type de conduction corres pond au type de conduction de la région de base 3. la ré gion 7 se situe à une distance par rapport à la région de base 3 g t2 , où: e est une distance égale à 1 à 2. fois la longueur de sion des porteurs de charge minoritaires, est la distance minimale assurant la tension de claquage nécessaire entre les régions d'injection ~et de base 3 et 7. La région 2, la zone de contact 6 et la région 7 ont un revêtement passivant 8.Ce revêtement passivant 8 comporte des fenêtres de contact 9 et 10 se trouvant respectivement au-dessus des endroits où se situent la zone 6 et la région 7. Des contacts métalliques Il et 12 sont reliés, respec tivement,âla zone 5 et, à travers la fenêtre 9,à la zone 6. A la zone 7 est reliée, à travers la fenêtre 10 , un contact métallique de commande 13. Le contact Il est relié à une résistance de charge 14 par sa borne 15. la borne 16 de la résistance 14 et le contact 12 sont raccordés à une source d'alimentation 17. Une résistance ballast 18 est reliée par sa borne 19 au contact 13. Une source d'alimentation 21 est raccordée à la borne 20 de la résistance 18 et au contact 12. Suivant une autre variante de réalisation l'appareil bipolaire à semi-conducteurs comporte des régions d'injection 24, 25 (fig. 2), disposées dans la région í, et des régions d'injection 24, 25 disposées dans la région 2. les régions 22, 23,24 et 25 se situent à une distance de la région de base 3 telle que #1 > # > 6x , où: 81 est une distance égale à 1 à 2 fois la longueur de diffu sion des porteurs de charge minoritaires dé la région 1 (pour les régions 22, 23) et de la région 2 (pour les régions 24, 25); 82 est la distance minimale assurant la tension de claquage nécessaire entre les régions correspondantes 22, 23, 24, 25 et la région de base 3. Dans les régions 22 et 24 se trouvent respectivement des régions émetteurs de commande 26 et 27. Dans le revêtement passivant 8 de la région 1, au-dessus de la zone 5, il est aménagé une fenêtre 28; au-dessus de la région 23 est aménagée une fenêtre 29 et au-dessus des régions 26 et 22 (fig. 2,3) est aménagée une fenêtre 30.I-a région 23 est reliée à travers la fenêtre 29 à un contact métallique de commande 32. Dans le revêtement passivant 8 de la région 2, au-dessus de la région 25, est aménagée une fenêtre 33, et au-dessus des régions 24 et 17, une fenêtre 34. la région 25 à travers la fenêtre 33 est reliée à un contact métallique de commande 35. les régions 24 et 27 sont reliées à travers la fenêtre 34 à un contact métallique de commande 36. les contacts 31,32 et 35 sont raccordés respectivement aux résistances ballasts 37, 38, 39 par leurs bornes respectives 40, 41, 42. Un générateur d'impulsions 44 est relié à la borne 43 de la résistance 37 et au contact 11. Un générateur d'impulsions 46 est relié à la borne 45 de la résistance 39 et au contact 12. Une borne 47 et le contact 36 sont branchés à une source de tension de commande 48 qui est en phase avec la source 17 et qui fournit une tension infé rieure à celle provenant de cette source 17. L'appareil à semi-conducteurs bipolaire fonctionne de la façon suivante. lorsque une tension de blocage provenant de la source d'alimentation 21 (fig. 1) est appliquée à la sortie 20 de la résistance ballast 18 l'appareil à semi-conducteurs bipolaire est bloqué. Alors, lorsqu'unie tension positive fournie par la source 17 est appliquée au contact 11, cette tension est bloquée par la jonction p-n entre la région 1 et la région de base 3. lorsqu'unie tension négative fournie par la source 17 est appliquée au contact 11,cette tension est bloquée par la jonction p-n entre la région de base 3 et la région 2. Ceci s'explique par le fait que la zone appauvrie dans la région 2 se propage entre la région 3 et la région d'injection 4, en créant un inter valle isolant entre elles.Selon 11 invention la distance --entre les régions 3 et 7 est supérieure à la distance e2 ( e > e2, 82 étant la distance minimale assurant la tension de claquage nécessaire entre les régions 3 et 7. Au moment de l'application de la tension de déblocage provenant de la source d'alimentation 21 à la borne 20 de la résistance ballast îa, à travers sa borne 19, la ten sion gui provoque l'injection des porteurs de charge mino ritaires de la région 7 dans la région 2 est appliquée au contact 13. la plus petite part des porteurs de charge minoritaires provenant de la région 2 arrive dans la zone de contact 6, où elle est recombinée avec les porteurs de charge majoritaires. la plus grande partie des porteurs de charge minoritaires provenant de la région 7 passe à travers la région 2 et s'accumule dans la région 3. Ceci est du à la distance e entre les régions 3 et 7 qui, selon l'invention, est inférieure à la distance e17 en étant une distance égale a 1 à 2 fois la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires de la région 2.Tes porteurs de charge minoritaires dans la région 3 se dé placent d'abord dans son sens longitudinal, parallèlement à la zone 6 vers son centre. lorsque la tension appliquée au contact 11 est positive les porteurs de charge minoriw taires provenant de la région 3 sont reinjectés dans la région 2 vers la zone 6 et s'accumulent à la limite de la zone 6 et de la région 2. Cette accumulation des porteurs de charge provoque l'injection sur la zone 6 des porteurs majoritaire-s de charge, qui se déplacent dans la~région 2, passent à travers la région 3 et s'accumulant dans la ré gion 1. lorsqu'une tension négative est appliquée au con tact 11, les porteurs de charge minoritaires de la région 3 sont injectés dans la région 1 vers la zone 5 et s'accu mulent à la limite de la zone 5 et de la région 1. leur accumulation provoque l'injection par la zone 5 des por- teurs de charge majoritaires, qui se déplacent de la ré gion 1, passent à travers la région 3 et staccumulept dans la région 2. les phénomènes indiqués de déplacement des porteurs de charge minoritaires et majoritaires conditionnent Ae paysage d'un courant provenant de la source 17 à travers l'appareil à semi-conducteurs bipolaire et la résistance de charge 14. lorsque la tension de déblocage cesse d'être débitée par la source 21 l'appareil à semi-conducteurs bipolaire passe à l'état bloqué, ce qui explique pourquoi cassent l'arrivée des porteurs de charge minoritaires dans la région de base 3 et l'injection des porteurs de charge majoritaires par les zones 5 et 6. Si une commutation impulsionnelle de appareil à semi-conducteursbipolaire est nécessaire pour l'amener à l'état bloqué ou débloqué ce dernier fonctionne de la fa çon suivante. Avant l'application de la tension de déblocage provenant de la source 44 (fig 29 3) à la borne 43 de la résistance 37 ou à partir du générateur 46 à la borne 45 de la résistance 39, l'appareil à semi-conducteurs bipolaire est bloqué. Le courant de la source 48 ne passe pas à travers la borne 47 de la résistance 38, car la valeur de tension de la source 17 est supérieure à la valeur de tension de la source 48. la jonction p-n formée par la région d'injection 22 et la région 1 est alors polarisée en sens inverse, la tension aux contacts Il et 32 est positive, et la jonction p-n , formée par la région dvinåection 24 et la région 2, est polarisée en sens inverse si la tension aux contacts 12 et 36 est positive. Au moment où la tension de déblocage de la source 44 est appliquée à la borne 43 de la résistance 37, ou à par tir de la source 46 à la borne 45 de la résistance 39, l'appareil à semi-conducteurs bipolaire passe à l'état débloqué et fonctionne comme décrit plus haut. Alors à cause de la diminution de la tension entre les contacts 11 et 12, en cas d'une tension positive au contact Il , la jonction p-n formée par les régions 22 et 11 est débloquée. les porteurs minoritaires de charge injectés par la région 22 passent à travers la région 1 et arrivent dans la région de base 3.A partir de la région de base 3 les porteurs de charge minoritaires sont injectés dans la région 1 et passent à travers elle dans le sens de la région d'injection 24 et dans le sens de la zone de contact 6 les porteurs de charge minoritaires rassemblés par la région 24 provoquent l'injection de porteurs de charge majoritaires par la région émetteur 27, ce qui entralne la saturation en porteur de charge des deux types de l'espace entre les régions 22.et 27, lareductlon de la résistance dans cet espace et l'apparition d'un courant stable entre les contacts 32 et 26. les porteurs de charge minoritaires injectés vers la zone 6 adhérant au contact provoquent l'ir jection par la zone 6 de porteurs de charge majoritaires, qui se déplacent à travers la région 2, passent à travers la région de base 3 et s'accumulent dans la région 1. Pour maintenir cet état débloqué stable la présence de la tension de déblocage, provenant du générateur 44, à la sortie 43 de la résistance 37 ou du générateur 46 å la borne 45 de la résistance 39 n'est plus indispensable, car la tension de déblocage est débitée par la source 48. Si la tension aux contacts 12 et 36 est négative l'appareil à semi-conducteurs bipolaire fonctionne d'une façon similaire à celle décrite -plus haut, compte tenu de la position symétrique des régions 1 et 2, des zones 5 et 6 adhérant aux contacts, des régions d'injection 22 et 24, des régions émetteurs de commande 26 et 27. Quand -le rapport entre le courant passant par les contacts métalliques 11, 12 et le courant passant par les contacts Il et 32 augmente et si la tension aux contacts Il et 32 est positive le degré de saturation de la région 1 en porteurs de charge minoritaires diminue, tandis que la largeur de la zone de la jonction p-n appauvrie entre la région 1 et la région de base 3 augmente, ce qui fait accroisse la tension dans la région 1. Alors le courant des porteurs de charge minoritaires injectés par la région 22, diminue et un processus regénérateur de réduction du courant passant par les contacts Il et 32 apparait, qui se termine par le passage à l'état bloqué stable de l'appareil à semi conducteurs bipolaire. Si la tension aux contacts 12 et 36 est positive l'appareil à semi-conducteurs bipolaire fonctionne de façon similaire à celle décrite, compte tenu de la disposition symétrique des régions 1 et 2, des zones 5 et 6 adhérant aux contacts, des régions 22 et 24 et des régions émetteurs de commande 26 et 27. Pour un débloquage forcé de l'appareil à semi-conducteurs bipolaire on réduit la tension de la source 48 d'alimentation et on fait accroltre la résistance 38, ce qui provoque la réduction du courant passant par la borne 41 de la résistance 38 et passant par les contacts 32 et 36. le rapport entre le courant passant par les contacts métalligues Il et 12 et le courant passant par les contacts 32 et 36 augmente alors et l'appareil à semi-conducteurs bipolaire passe à l'état bloqué d'une manière similaire à celle décrite plus haut. Pour protéger la résistance de charge 14 contre les surintensités dépassant le niveau assigné,on choisit la valeur de la résistance 38 et la tension de la source d'alimentation 48 telles que le processus de blocage de l'appareil à semi-conducteurs bipolaire commence au niveau assigné du courant de la résistance de charge 14, tandis que le courant de travail passant par la résistance de charge 14 est choisi compte tenu des réserves nécessaires pour un fonctionnement stable. En cas d'apparition d'une surintensité atteignant ou dépassant le niveau assigné, le rapport entre le courant passant par les contacts métalliques 11,12 et le courant passant à travers les contacts 32, 36 augmente et l'appareil à semi-conducteurs bipolaire passe à l'état bloqué de façon identique à celle décrite plus haut. la presenk invention peut être appliquée pour la protection automatique contre les surintensités d'avarie d'un appareil à semi-conducteurs bipolaire, d'une source d'alimentation et d'une résistance de charge. REVENDICATIONS 1. Appareil à semi-conducteurs bipolaire-comportant deux régions à conduction du même type, dont l'une sert de région collecteur (1 ou 2) et l'autre de région émetteur (2 ou 1), selon la polarité de la tension appliquée; une région de base (3) se situant entre elles; une région (4) pour isoler la région collecteur (1 ou 2) par rapport à la région émetteur (2 ou 1), disposée à la périphérie d'au moins l'une d'elles et reliée à la région de base (3); deux zones adhérant au contact (5, 6), dont l'une se situe dans la région collecteur, et l'autre dans la région émetteur (1, 2); un revêtement passivant (8) sur les régions du collecteur ou de l'émetteur (2, 1) et sur la zone de contact (6) correspondante, comportant une fenêtre de contact (9) au-dessus de l'endroit ou se trouve la zone de contact (6) ; dewi contacts métalliques 1s12)9 chacun desquels étant relié électriquement à la zone de contact (5,6); et un contact métallique de commande (13) relié électriquement à la région de base (3);; c a r-a c t é r i s é en ce que, dans la région collecteur (1 ou 2) et/ou de la région émet teur (2 ou 1),il est prévu au moins une région deinåeotion (7), dont le type de conduction correspond au type de conduction de la région de base (3) et qui se situe par rapport à cette dernière à une distanca etelle, que #1 > # > #2 où:: est une distan-ce égaie à 1 à 2 fois la longueur de diffu sion de porteurs de charge minoritaires de celle des régions collecteur ou émetteur (1,2) dans la quelle se situe la région d'injection (7), 2 est la distance minimale assurant la tension néces- saire de claquage entre la région d'injection (7) et la région de base (3),et en ce que1dans la revêtement passivant (8),il est aménagé une fenêtre de-contact (10) se situant au dessus de la région d'injection (7), tandis que le contact métallique de commande (13) est relié à travers la fenêtre de contact (10) à la région d'injection (7). 2. Appareil selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce qu'en cas d'une multitude de régions d'injection (22, 23, 24 ,25) dont les unes sont disposées dans la région collecteur (1 ou 2) et les autres, dans la région émetteur (2 ou 1), il est prévu des régions émetteurs de commande (26, 27) du type de conduction opposé au type de conduction des régions d'injection (22, 23, 24, 25), chacune desquelles se situe dans la région dtin- jection correspondante (22, 24), tandis que les fenêtres de contact (30, 34) dans le revêtement passivant (8), correspondant aux régions d'injection (22, 24), se situent au-dessus des zones des régions d'injections (22, 24) et des régions émetteurs de commande (26, 27).