Brevet FR2535529A1 — publié le 19840504

L'invention concerne un élément de commutation semi- conducteur commandé, constitué d'au moins un thyristor vertical disposé dans une pastille de matériau semi-conducteur et formé de quatre zones de types de conductivité alternants, dont les deux bornes ou contacts de courant de charge sont disposés l'un sur la face supérieure et l'autre sur la face inférieure de la pastille, ainsi que d'un autre élément de commutation Commandé, qui sert à l'amorçage du thyristor. On connaît des dispositifs semi-conducteurs intégrés,- ou circuits intégrés, faits d'une pastille de matériau semi- conducteur contenant un thyristor et en plus un thyristor d'amor- çage ou thyristor pilote sous une forme monolytique intégrée Le thyristor vertical proprement dit possède une succession de zones npnp ou pnpn, les différentes zones se suivant dans le sens verti- cal dans la pastille Dans la disposition connue, le thyristor pilote servant à l'amorçage présente également une succession verti- cale des zones (S E Gentry, J Moyson "The Amplifying Gate Thyristor" Intern Electron Devices Meeting Washington D C 1967 Tech Digest p ll). Il y a des cas o la succession des zones dans le sens vertical du thyristor pilote est un inconvénient pour l'amor- çage du thyristor vertical Cela est le cas par exemple lorsque le thyristor pilote est un composant à commande optique, avec lequel une faible partie seulement de la lumière incidente est utilisable pour l'opération de commutation En d'autres cas, on désire pouvoir provoquer l'amorçage d'un thyristor à partir de la face opposée à la zone de base de commande, ce qui est seulement possible avec la disposition connue lorsqu'on accepte certains inconvénients. L'invention vise par conséquent à indiquer un élé- ment de commutation semi-conducteur commandé, comprenant un thyris- tor vertical et un élément de commutation supplémentaire, avec lequel il soit possible d'obtenir également dans de tels cas des puissances de commande électriques ou optiques faibles. Selon-une caractéristique essentielle de l'invention, l'élément commandé supplémentaire possède une structure de zones latérale et est disposé à la face supérieure de la pastille et des zones de cet élément latéral sont couplées de telle manière à des zones du thyristor vertical que celui-ci est amorcé indirectement par l'amorçage de l'élément latéral. Selon un perfectionnement avantageux de l'invention, deux thyristors ayant chacun une structure verticale formée de quatre zones de types de conductivité alternants sont disposés tête-beche dans la pastille, trois zones étant communes aux deux thyristors, tandis que les quatrièmes zones, extérieures, agissant comme émetteur 2 sont disposées l'une à l'opposé de l'autre dans la face supérieure respectivement la face inférieure de la pastille, en étant encastrées chacune dans la zone de base de commande qui y fait suite dans le sens vertical Les deux contacts de courant de charge sont communs aux deux thyristors verticaux Avec cette dis- position, le thyristor vertical dont la zone de base de commande est située sur la face de pastille opposée à celle recevant la lumière peut être amorcé indirectement, par une faible puissance de commande, par l'amorçage optique du thyristor latéral, ce qui déclenche l'amorçage du thyristor vertical considéré. Certes, on connaît déjà des thyristors bidirection- nels ayant une structure formée de thyristors en tête-bêche et à commutations dans le sens vertical, qui sont pourvus d'un contact de commande électrique, de manière que l'envoi de courants de com- mande dans ce contact permet de produire la commutation des deux thyristors partiels. Ces éléments demandent cependant une puissance de commande électrique relativement importante, en particulier pour l'amorçage du thyristor partiel dont la zone d'émetteur N et la zone de base de commande ne sont pas situéet sur la même face que le contact de commande (demande de brevet allemand DE-AS 17 64 821). Lorsque de tels composants doivent être amorcés par un rayonnement optique, le thyristor partiel dont la zone d'émetteur n est disposgesur la face du corps semi-conducteur commun aux deux thyristors partiels opposée à l'incidence de la lumière,peut seulement être amorcé par une intensité lumineuse relativement grande, à moins que l'on n'accepte de mauvaises caractéristiques d'amorçage intempestif (tenue à la tension directe exprimée par le rapport dv/dt, o v désigne la tension et t désigne le temps) Par contre, avec l'élément semi-conducteur selon l'invention, en cas d'amorçage optique, au moins l'un des thyristors verticaux est amorcé indirectement par le thyristor latéral à commande optique. De plus, on connaît également des thyristors agis- sant latéralement et conçus pour une faible puissance de commande, dont la résistance à l'amorçage intempestif est améliorée par des moyens auxiliaires supplémentaires (demande de brevet allemand DE-AS 14 64 984). Comme les composants de puissance sont soudés ou collés par un côté au moins sur un support bon conducteur de la chaleur, en vue d'une meilleure évacuation de la chaleur, les mesures pour améliorer la résistance à l'amorçage intempestif sur des thyristors bidirectionnels disposés verticalement sont seule- ment applicables à celui des thyristors partiels dont la zone de base de commande est située sur la face du corps semi-conducteur non soudée sur le support Pour cette raison, de tels thyristors verticaux tête-b Uche ne peuvent pas être commandés par des puis- sances de commande électrique ou optique faibles. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de deux exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure-l représente schématiquement un premier exemple de réalisation de l'invention, comprenant deux thyristors verticaux montés en tête-bêche et un thyristor latéral qui peut être amorcé par voie optique et qui, par son amorçage, déclenche l'amorçage d'un des thyristors verticaux; et la figure 2 est une représentation analogue d'un autre exemple de réalisation, o des mesures supplémentaires sont prévues pour empêcher des amorçages intempestifs. La figure 1 représente schématiquement une pastille 1 d'un matériau semiconducteur contenant, sous une forme intégrée et à commande optique, deux thyristors verticaux 2, 3 dans un montage en tête-bêche et un thyristor latéral 4 La face supérieure 5 de la pastille, sur laquelle est disposé le thyristor latéral, porte un contact de courant de charge 6 tandis que la face inférieure opposée 7 de la pastille porte l'autre contact de courant de charge 8 La commande de l'élément s'effectue, sur la face supérieure , par une radiation optique 9 indiquée par des flèches dirigée sur le thyristor vertical 2 et par une radiation 10 dirigée sur le thyristor latéral 4. Les thyristors verticaux 2 et 3 ont trois zones en commun: la zone ll de type p située sur la face supérieure 5, la zone inférieure 13 de type p située sur la face opposée 7 du corps semi-conducteur, ainsi que la zone de base 12 de conductivité n située entre les deux zones p 11 et 13 Dans la zone p 11 est encastrée la zone d'émetteur N 14 et dans la zone p 13 est encas- tréela zone d'émetteur N 15 Les zones d'émetteur 14 et 15 sont reliées par des shunts 16, 17 à la zone de base de commande Il ou 13 voisine, de type p Ces shunts sont constitués par des percées locales, de type p, de la zone de base de commande à travers la zone d'émetteur voisine et s'étendant jusqu'à la face correspondante de la pastille Ces shunts réduisent la sensibilité à l'amorçage intempestif. La zone p 13, à partir de la face inférieure 7 de la pastille l se prolonge à travers une zone 18 de diffusion d'iso- lement jusqu'à la face supérieure 5, o elle est isolée de la zone p supérieure Il par les jonctions pn 20, 21 recouvertes de couches d'oxyde ou de couches semi-isolantes 19. Le thyristor latéral 4 sur la face supérieure 5 se compose de la zone d'émetteur N 22, de la zone de base de commande 23 correspondante qui l'entoure et qui est de type p, d'une région de base N 24 s'étendant Jusqu'à la face supérieure 5, ainsi que de la région 111 de type p qui s'y raccorde latéralement, forme l'émet- teur p et est constituée par une partie de la zone Il-de type p des thyristors verticaux 2 et 3 Les deux régions de type p de la zone 11 se raccordent par conséquent l'une à l'autre en se confondent, la transition formant une résistance de volume La zone d'émetteur n 22 est reliée par une interconnexion ohmique 25 à la zone de diffu- sion d'isolement 18, de type p, qui se prolonge jusqu'en haut La zone de base de commande p 23 est en outre reliée à la zone de diffu- sion d'isolement 18 par une région p faiblement dopée 26, laquelle forme la résistance déterminante pour la sensibilité d'amorçage et d'amorçage intempestif du thyristor latéral 4. Alors que le thyristor 2 est amorcé de façon connue par la radiation optique 9 et la production consécutive de porteurs de charge dans la zone 11 de type p et dans la jonction pn formée par les zones 11 et 12, l'amorçage du thyristor 3 s'effectue de façon indirecte par l'amorçage optique du thyristor latéral 4 Le thyristor 3 n'est amorcé que lorsque le courant de charge dans le thyristor 4 provoque une forte injection de trous de la zone d'émetteur ll' de type p dans la région de base 24 respectivement 12 de type n, comme cela est indiqué par les courants d'électrons 27 et les courants de trous 28 sur la figure 1 L'avantage apporté par l'invention réside dans le fait que le thyristor partiel 3, dont la sensibilité d'amorçage par voie optique est faible, est commandé maintenant de façon indirecte par l'élgment 4 dont la sensibilité d'amorçage est bien plus grande L'invention évite ainsi la néces- sité de conférer au thyristor 3 une forte sensibilité d'amorçage, ce qui a l'inconvénient de lui donner en même temps une forte sensi- bilité d'amorçage intempestif. La figure 2 montre un mode de réalisation perfectionné et avantageux de l'objet de l'invention, dans lequel un thyristor latéral 4 ' pour l'amorçage est conjugué également au thyristor verti- cal 2 Les thyristors latéraux 4 et 4 ' sont dotés en plus de compo- sants supplémentaires pour éviter des amorçages intempestifs, sous forme d'une compensation dv/dt Les exécutions des thyristors laté- raux à compensation dv/dt sont les mêmes Ceux-ci comprennent les zones d'émetteur N 22, 22 ', les zones de base de commande 23, 23 ', les résistances de fuite 29, 29 ' de base de commande, qui ont une fonction semblable à celle de la zone 26 de type p sur la figure 1, les résistances série d'émetteur 30, 30 ' et les zones de compensa- tion 31, 31 ' et, enfin, les régions de base 24, 24 ' de type N et les régions d'émetteur 11 ' et 181 de type p Les résistances série d'émetteur 30, 30 ' et les résistances de fuite 29, 29 ' sont choisies de manière que, sous des charges dv/dt c'est-à-dire en cas de sauts à front raide de la tension à l'état bloqué les courants capacitifs parasites produisent sur les résistances 29, 30 respectivement 29 ', ' des tensions identiques, de sorte que la polarisation en sens direct des jonctions pn entre les zones 22 et 23 respectivement 22 ' et 23 ' est évitée, si bien qu'un amorçage intempestif est empoché avec certitude Les courants capacitifs dans les résistances 29, 29 ' s'établissent, en cas d'application d'une tension, en raison des jonctions pn entre les zones 23 et 12 respectivement 231 et 12; les courants capacitifs dans les résistances 30, 30 ' sont la conséquence des jonctions pn entre les zones 31, 12 respectivement 31 ', 12. Pour l'amorçage optique, une radiation est envoyée dans les régions de zone p 23, 23 ' et avantageusement en plus dans les régions de zone de base 24 et 24 ' L'amorçage est déclenché dans ce cas par la chute de tension que le courant photoélectrique provoque sur la -résistance de fuite 29, 29 ' de la base de commande Les régions de compensation 31 et 311 sont protégées contre la radiation par des recouvrements. Ce mode de réalisation permet d'accroître la sensibi- lité à la commande par voie optique sans pour autant augmenter la sensibilité à l'amorçage intempestif des thyristors partiels. Ta zone de base 11 étant séparée de la zone de base 13 par des sillons de passivation 32, il est également possible d'obte- nir une plus grande stabilité sous des tensions plus élevées à l'état bloqué Les sillons 32, formés par attaque chimique par exemple, sont situés au droit des régions de zone de base 24 et 24 ' des thyristors latéraux. En principe, l'avantage apporté par l'invention n'est pas limité à la commande optique L'intégration d'un thyristor latéral 4 est également avantageuse dans la cas d'une commande par de petits courants de commande; le thyristor latéral est cependant conçu dans ce cas pour un amorçage électrique. Il est possible en outre de prévoir une exécution o tout l'élément de commutation présente des dopages de conductivité intervertis, c'est-àdire o les zones p sont remplacées par des zones N et inversement, Les zones d'émetteur et les zones de base de commande sont fortées de préférence par diffusion. Le dispositif représenté sur la figure 2 possède l'avantage que le thyristor latéral 4, conjugué au thyristor 253552 ? 9 vertical 3 et servant à l'amorçage de celui-ci, peut ëtre pourvu de composants de protection intégrés Une telle protection directe ne serait pas réalisable, ou seulement de façon incomplète, pour le thyristor vertical 3 puisque sa métallisation cathodique de grande surface, sous forme du contact courant de charge 8, est fixée sur un support bon conducteur de chaleur, de sorte que cette surface inférieure de la pastille 1 n'est pratiquement pas dispo- nible pour l'introduction et la connexion d'éléments supplémentaires. R E V E N D I C A T I O N S 1 Elément de commutation semi-conducteur commandé, constitué d'au moins un thyristor vertical ( 2 ou 3) disposé dans une pastille de matériau semi-conducteur et formé de quatre zones de types de conductivité alternants, dont les deux bornes ou contacts de courait de charge ( 6, 8) sont disposés l'un sur la face supérieure ( 5) et l'autre sur la face inférieure ( 7) de la pastille ( 1), ainsi que d'un autre élément de commutation commandé ( 4), qui sert à l'amorçage du thyristor, caractérisé en ce que l'élément commandé supplémentaire ( 4) possède une structure de zones ( 11 ', 24, 23, 22) latérale et est disposé à la face supérieure ( 5) de la pastille ( 1), et en ce que des zones ( 11 ', 24, 23) de cet élément latéral ( 4) sont couplées de telle manière à des zones ( 11, 12, 13) du thyristor que celui-ci est amorcé indirectement par l'amorçage de l'élément latéral. 2 Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux thyristors ( 2, 3), ayant chacun une structure verticale formée de quatre zones de types de conductivité alternants sont disposés tête-bêche dans la pastille ( 1), trois zones ( 11, 12, 13) étant communes aux deux thyristors, tandis que les quatrièmes zones ( 14, 15), extérieures, agissant comme émetteurs, sont disposées l'une à l'opposé de l'autre dans la face supérieure ( 5) respectivement la face inférieure ( 7) de la pastille, en étant encastrées chacune dans la zone de base de commande ( 11, 13) qui y fait suite dans le sens vertical, et en ce que les deux contacts de courant de charge ( 6, 8) sont communs aux deux thyristors verticaux. 3 Elément selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de commutation latéral ( 4) est un thyristor pos- sédant quatre zones ( 11 ', 24, 23, 22) de types de conductivité alter- nants. 4 Elément selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la première zone extérieure ( 11 ') du thyristor latéral ( 4) est couplée électriquement à une zone ( 11), commune aux deux thyris- tors verticaux, de même type de conductivité et située a la face supérieure ( 5) de la pastille, et en ce que la deuxième zone exté- rieure ( 22) du thyristor latéral ( 4) est couplée électriquement à une zone ( 13), également commune aux deux thyristors verticaux, qui est de type de conductivité opposé et-est située sur la face inférieure ( 7) de la pastille. Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première zone ( 11 ') du thyris- tor latéral ( 4) est située en partie au moins au-dessus de l'émetteur ( 15), situé sur la face inférieure ( 7) de la pastille, d'un thyristor vertical ( 3). 6 Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le thyristor latéral ( 4) intégré dans la face supérieure ( 5) est à commande optique. 7 Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone ( 13) de type p disposée sur la face inférieure ( 7) se prolonge, sur le bord de la pastille ( 1), jusqu'à la face supérieure ( 5), o elle est est reliée par une inter- connexion électrique ou une métallisation appliquée ( 25) à la deuxième zone extérieure ( 22) de type N du thyristor latéral ( 4). 8 Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone ( 23) de type p qui entoure la deuxième zone extérieure ( 22) du thyristor latéral ( 4) se raccorde par des régions partielles situées à la face supérieure ( 5) et en se confondant avec elle à la zone ( 13, 18) de type p située sur la face inférieure ( 7) et se prolongeant vers le haut par le bord de la pastille. 9 Elément selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première zone extérieure ( 11), de type p, du thyristor latéral ( 4) se raccorde par une région de zone formant transition et agissant comme une résistance de volume à la zone ( 11) de type p qui est commune aux deux thyristors verticaux et est située à la face supérieure ( 5) de la pastille. Elément selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que chacun des deux thyristors verticaux ( 2, 3) est combiné avec un thyristor latéral ( 4, 4 ') destiné à déclencher l'amorçage et possédant une succession de zones s'étendant latéralement à la face supérieure ( 5) de la pastille ( 1). 11 Elémrent selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que l'élément de commutation latéral ( 4,4 ') intégré dans la face supérieure possède un dispositif de protection intégré ( 29, 30, 31) pour éviter des amorçages intem- pestifs.