Brevet FR2529014A1 — publié le 19831223

Tétrode bipolaire à semi-conducteurs. La présente invention concerne les appareils à semiconducteurs, et plus précisément, les tétrodes bipolaires à semi-conducteurs. La présente invention peut êere avantageusement appliquée à la réalisation d'appareils commandés bistables au sélénium à conductibilité directe et inverse avec une famille de caractéristiques tensio-courant en N, et destinés à la commutation, la formation d'impulsions rectangulaires et la protection automatique des circuits électriques contre les surintensités. Il existe aulourd'hui dans le domaine des appareils à semi-conducteurs de puissance au silicium une tendance à créer des appareils à semi-conducteurs fonctionnels réalisant des opérations plus complexes, que celles réalisées par des transistors séparés. Le critère d'efficacité de tels appareils, en plus de l'ensemble des fonctions réalisées, est la combinaison de leurs propriétés et paramètres électriques (résistance aux états bloqué et passant, vitesse de réponse, stabilité électrique aux températures ambiantes élevées, polarité standard des signaux de commande, etc.).Les thyristors (y compris les thyristors blocables et autres appareils similaires) remplissent des fonctions de mémoire, d'enclenchement et de déclenchement impulsionnel, mais possèdent (en comparaison avec les transistors) des valeurs importantes de tension résiduelle ; de plus ils sont difficilement déclenchés aux températures ambiantes élevées et pour des intensités importantes des courants à commuter, et par ailleurs ilsexigent une tension de polarité inverse pour réaliser leur blocage et possèdent une faible fréquence de travail.Les tétrodes bipolaires (par exemple les tétrodes thyristors) à caractéristique tension-courant en s peuvent être déclenchées au moyen d'impulsions de tension de polarité directe, mais au point de vue de leurs autres propriétés et paramètres elles correspondent à des thyristors. les tétrodes bipolaires avec une famille de caractéristiques tension-courant en N ont une faible tension résiduelle, une vitesse de réponse élevée, un caractère stable des processus de blocage aux valeurs élevées de température ambiante, qui sont propres aux transistors, aussi bien que des onctions ce me#oire, id possibilite ne commander le blocage et le déblocage au moyen d'impulsions, qui sont propres aux thyristors pouvant être bloqués, et sont alimentées et commandées avec des tensions de même polarité.Par ailleurs, du fait que leurs caractéristiques tension-courant de sortie sont des courbes en N, ces appas reils possèdent une proprieté fonctionnelle Supplérneflt3ire qui est la possibilité d'être bloqués automatiquement, lorsque l'intensité du courant commuté accroit jusqu'roi l'intensité du courant de blocage correspondant au point au sommet de la branche en N de la caractéristique tensioncourant, dont le choix est assigné par le régime d'aiimentation de l'une tes électrodes de commande On contact une tétrode à semi-conducteurs bipolaire (certiticat d'auteur URSS n0 d#4 414) comportant une structure triode de puissance et au moins une structure triode de lancement qui possèdent une région collecteur et une zone adhérant a un contact fortement allie communs, chaque structure triode comporte une région base constituée d'une zone active, d'une zone passive principale et d'au moins une région émetteur, et la région base de la structure de triode de puissance a au moins une zone passive supplémentaire disposée dans la région collecteur, à une distance inférieure à la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires de collecteur, par rapport à la zone principale passive de la région base, lesdites structures triodes possédant un revêtement de passivation sur la surface des régions collecteur, emetteurs et sur la surface des zones passives, des régions bases. Cependant dans cette tétrode bipolaire la disposition réciproque des fenêtres de contact dans le revêtement de passivation au-dessus de la zone où se trouve la région émetteur, et au-dessus de la zone passive, la plus proche de sa région base, fait apparaître des inégalités de passage du courant entre les zones passives de la région base et de la région émetteur ; il en resulte une inégalité d'injection des porteurs de charge majoritaires qui apparatt sur le périmètrede la région émetteur, qui intluence la répartition du courant dans la région collecteur, et qui provoque une série de phénomènes négatits, tels l'augmentation de la tension de blocage, l'apparition d'un point stable supplémentaire sur la caractéristique tension-courant de sortie, le danger accru de percement electrique secondaire, ce qui réduit la fiabilite de fonctionnement de la tetroae, surtout en cas d'intensite élevée du courant de collecteur et en présence ae courants charge d'avarie. L'invention vise a tournir une tetrode bipolaire à semi-conducteurs avec une disposition réciproque aes éléments de la construction permettant d'améliorer la fiabilité de fonctionnement d'une telle tétrode et d'assurer son blocage automatique sans defaillance en cas de surintensites ou de courants d'avarie dans la chars. La tétrode bipolaire à semi-conducteurs selon l'invention comporte une structure de triode de puissance et au moins une structure de triode d'amorçage, qui possèdent une région collecteur et une zone à contact fortement almée adjacente au collecteur commune, chacune de ces structures diodes comportant, une région base qui se compose de zones active et passive principale, et au moins une région émetteur, la région base de la structure triode de puissance possédant au moins une zone passive supplémentaire disposée dans la région collecteur à une distance inférieure à la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires de collecteur par rapport à la zone passive principale de la région base, ladite structure diode possédant un revêtement de passivation sur la surface des régions collecteur, émetteur et sur la surface des zones passives des régions bases, et elle est caractérisée en ce qu'au moins dans 1'Une de ses structures triodes, il est prévu des fenêtres de contact dans le revêtement de passivation au-dessus de la zone où se trouve la région émetteur au-dessus de la zone passive la plus proche de sa région base, les susdites fenêtres étant disposées à une distance égale à 3 à 5 fois les longueurs de diffusion des porteurs de charge minoritaires de collecteur. Il est avantageux que dans la tétrode bipolaire à semi-conducteurs la fenêtre de contact dans le revêtement de passivation au-dessus de la zone, où se trouve la région émetteur, et la région émetteur lui-réae soient réalisés sous la forme d'une bande, qu'une entre de contact soit disposée le long de l'axe longitudinal de la région émettour, qu'au moins un bord de la région émetteur soit réalisé denté, et que la fenêtre de contact dans le revêtement de passivation au-dessus de la zone passive de la région base soit disposé du cté des dents de la région émetteur. Il est préférable, que les dents de la région émetteur soient réalisées avec un profil de forme rectangulaire et que le rapport entre la distance entre les dents et la largeur des dents soit égal à : / b / je e BX Pb étant la résistance superficielle de la zone passive principale de la région base, fie étant la résistance superficielle de la région émetteur, 13 étant le gain statique de la structure triode en courant de travail nominal. Il est également avantageux que dans la structure triode de puissance la distance minimale entre les cités en bout des dents du domaine émetteur et le bord externe le plus proche de la zone passive principale de la région base soit inférieure à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires de la région collecteur. Il est préférable, qu'en cas d'une multitude de zones passives supplémentaires de la région base dans la structure triode de puissance, la tétrode comporte aussi des résistances dont chacune est raccordée à la zone passive supplémentaire correspondante. La présente invention permet d'obtenir une plus grande uniformité de passage du courant à l'intérieur de la tétrode bipolaire à semi-conducteurs tout en faisant accroître l'intensité du courant pouvant étre commuté, ce qui améliore la fiabilité de fonctionnement de la tétrode pour son blocage automatique sans défaillance en cas de surintensités et de courants de charge d'avarie. 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, dans lesquelles : la figure 1 représente la vue générale d'une tétrode bipolaire à semi-conducteurs en coupe transversale, selon l'invention; la figure 2 est la vue selon la flèche A sur la figure I avec métallisation partiellement enlevée, selon l'invention. La tétrode bipolaire de puissance à semi-conducteurs comporte une structure de triode de puissance 1 (fig. 1) et une structure de triode d'amorçage 2. les structures 1, 2 possèdent une région collecteur commun 3, par exemple, en silicium monocristallin de conduction n avec une concentration des impuretés dopantes de l'ordre de 0,5 a 20.1014 cl 3, avec une zone à contact 4 fortement doppé (jusqu'à 1 i1 cl 3) respectivement, des régions de base 5, 6 et des régions émetteurs 7, 8 formées, par exemple, en introduisant des impuretés doppantes acceptrices et donatrices. les régions bases 5 et 6 possèdent , respectivement, des zones actives 9, 10 et des zones passives princi- pales 11, 12.La région base 5 possède des zones passives supplémentaires 13, 14 disposées dans la région collecteur 3 à une distance inférieure à la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires de la région collecteur 3 par rapport à la zone passive principale Il de la région base 5. les structures 1 et 2 possèdent un revêeeent de passivation commun 15 comportant des fenêtres de contact 16, 17, 18 au-dessus des secteurs où se situent respective- ment les régions 5 (zone 13), 7 et 5 (zone 14) de la structure 7 et des fenGtres de contact 19, 20 au-dessus des zones où se situent , respectivement, les régions 6 (zone 12) et 8 de la structure 2. tes fenêtres 16 et 17, 17 et 18, 19 et 20 sont disposées l'une au-dessus de l'autre à une distance t égale à 3 à 5 longueurs de dif- fusion des porteurs de charge minoritaires de la région collecteur 3. Les contacts métalliques 21, 22 sont raccordés respectivement aux régions 7, 8 à travers les fenêtres correspondantes 17, 20, ils sont reliées entre eux et constituent une sortie de cathode 23 de la tétrode bipolaire, Des contacts métalliques 24, 25 sont respectivenent reliés aux zones 13, 14 de la région 5 à travers les Senetres correspondantes lo, 18 et sont relies entre eux en cons#ituant une sortie d'électrode de commande #o de la tétrode bipolaire.Un contact métallique 27 est relié à la zone 12 de la région 6 à travers la fenêtre 19 et constitue une sortie d'électrode de commande d'amorçage 28 de la tétrode bipolaire. Un contact métallique 29 est raccordé à la zone 4 et représente une sortie d'anode 30 de la tétrode bipolaire. Aux sorties 26 et 30 sont reliées respectivement des charges 31, 32 avec des sorties 33, 34. lies régions émetteurs 7 et 8 sont réalisés en forme ce bandes, sur un bord desquelles est aménagées respectivement des dents 35, 36, et sur l'autre bord, des dents 37, 38 (fig. 2). Les fenêtres 16, 17, 18, 19, 20 sont réalisées en forme de bandes. Les fenêtres 17 et 20 sont respectivement disposées le long des axes longitudinaux 39, 40 des régions 7, 8. Les fenêtres 16 et 18 sont respectivement disposées sur le côté des dents 35 et 37 de la région 7, et les feutres 19, du côté des dents 38 de la région 8. les dents 35, 36, 37, 38 sont réalisées avec un profil de forme rectangulaire. Le rapport entre la distance l1 (l)2 qui sépare n'importe quelles dents voisines 35 ou 37 (36 ou 38) et leur largeur h1(h2) est égal à #b / #e. B, où #b est la résistance superficielle des zones passives principales 11, 12 des régions de base correspondanbs5, 6, # e est la résistance superficielle des régions émet- teurs 7, 8, B est le coefficient statique du gain ( B = 1 ) de la structure triode correspond#nte 1 ou 2 pour son courant nominal. Dans la structure 1 la distance minimale e 3 entre n'importe quel côté latéral 3 des dents 35, 36 de la région 7 et le bord correspondant 41, 42 de la zone passive principale Il de la région 5 est inférieure à la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires de la région collecteur 3. La structure 1 comporte deux résistances 43, 44 (d'après le nombre de zones passives supplémentaires 13, 14 de la région 5), formées sur les côtés latéraux des zones respectifs 13, 14, en meme matériaux que les zones 13, 14, et les fenêtres de contact respectivement 45, 46 dans le revêtement de passivation 15 au-dessus de la zone où se trouvent ces résistances 43, 44. La tétrode bipolaire à semi-conducteurs fonctionne de la façon suivante. Aux sorties 34 et 23, 33 et 23 (fig. 1) sont appliquées, respectivement, des tensions de puissance et de commande. A l'état initial bloqué de la tétrode, le potentiel de l'anode doit être supérieur au potentiel de son électrode de commande. Alors les jonctions p-n entre les zones 9, 11, 13, 14 de la région 5 et la région 3 sont polarisées en sens inverse (de blocage). Le courant passant alors par la sortie 30 correspond au courant anodique de la tétrode à l'état bloqué, et le courant passant par la sortie 26 correspond au courant de l'électrode de commande également à l'état bloqué. Pour commuter la tétrode et l'amener à l'état débloqué on envoie une impulsion d'amorçage entre la sortie 28 de l'électrode de commande d'amorçage et la sortie de cathode 23, ce qui entrain le déblocage de la structure triode d'amorçage 2. Selon l'invention, le choix dans des limites se situant entre trois et cinq longueurs de diffusion des porteurs de charge minoritaires de la région collecteur 3 de la distance entre la fenêtre de contact 19 au-dessus de la zone passive 12 de la région base 6 et la fenêtre de contact 20 au-dessus de la région émetteur 8 permet de répartir d'une façon uniforme le courant dans la région émetteur 8 sur son périmètre, ainsi que d'accroître l'intensité du courant de commutation. Ceci s'explique par le fait, que les porteurs de charge minoritaires ne peuvent plus diffuser dans la région collecteur 3 au-delà de 2 à 3 longueurs de diffusion. En résultat, le courant depuis la région émetteur 8 passe à travers la région collecteur, d'abord dans le sens longitudinal, sur une distance d'environ de 1 à 3 longueurs de diffusion, et seulement après il pénètre dans la zone active 10 de la région base 6. La structure 2 réduit le potentiel de la sortie 30 jusqu'à une valeur inférieure au potentiel de la sortie 26. En résultat, les jonctions p-n entre les zones 13, 14 de la région 5 et de la région 3 sont débloquées et il se produit une injection des porteurs minoritaires de charge dans la région 3.La plus grande partie des porteurs de charge minoritaires repoussés par le champ de la région collecteur 3 arrivent à la zone active 9 et à la zone passive principale Il de la région base 5 en augmentant leur potentiel. En résultat, la région émetteur 7 injecte les porteurs de charge majoritaires, qui, en passant par la zone active 9 de la région 5 sont captés par la région 3. Une partie des porteurs de charge majoritaires et une partie des porteurs de charge minoritaires sont alors recombinés entre eux dans la région collecteur 3, en provoquant une modulation de sa conductibilité. Lorsque le courant de la sortie 26 de l'électrode de commande est suffisant , la région 3 est remplie de porteurs de charge minoritaires et la structure 1 passe en régime de saturation. En résultat, le potentiel de la sortie 30 de l'anode diminue supplémentairement et le courant de la sortie 26 de l'électrode de commande accroît encore d'avantage, ce qui entraîne l'apparition d'un état débloqué stable de la structure triode de puissance 1, indépendamment de l'état de la structure triode -d'amorçage 2. Selon l'invention , le choix de la distance e dans des limites se situant entre 3 à 5 longueurs de diffusion des porteurs de charge minoritaires de la région collecteur 3 entre la fenêtre de contact 17, au-dessus de la région émetteur 7, et les fenêtres de contact 16 et 18 au-dessus des zones supplémentaires respectives 13 et 14 de la région base 5, permet de répartir uniformément le courant dans la région émetteur 7 sur son périmètre, ainsi que d'augmenter la densité du courant commuté. L'explication de ce phénomène est analogue à la précédente. Alors le courant de la région émetteur passe par cette dernière, d'abord dans le sens longitudinal, également sur une distance de l'ordre de 1 à 3 longueurs de diffusion, puis, pénètre dans la zone active 9 de la région base 5. La présence des dents 35 et 37 et 36 et 38 (fig. 2) respectivement des régions émetteurs 7, 8 augmente le périmètre de ces régions 7, 8 et fait accroître ainsi le courant maximal des structures 1, 2. Selon l'invention le rapport entre la distance t 1 ( e2) séparant les dents voisines 35, 37 de la région 7 (36, 38 de la région 8) et leur largeur h1 (h2) est égal à p b / peB où T b est la résistance superficielle de la zone passive principale Il (12) de la région base 5 ( 6), est la résistance superficielle de la région émetteur 7 (8) B est le gain statique de la structure 1(2) pour le coursant de travail nominal.Ceci permet d'utiliser uniformément tout le périmètre de la région émetteur 7 (8) aux moments de commutation, ce qui est propice à l'accroissement de l'intensité du courant commuté. Ceci s'explique par le fait, que l'impédance d'entrée par rapport au courant passant des fenêtres de contact 16 et 18 à la fenêtre de contact 17 dans la région 7 et de la fenêtre de contact 19 à la fenêtre de contact 20 ne dépend pas du trajet em- prunté par le courant indiqué. Dans la structure 1 la distance minimale l3 entre les cotés latéraux des dents 35, 37 de la région 7 et, respectivement, le bord extérieur le plus proche 41, 42 de la zone Il de la région 5 est choisie inférieure à la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires de la région 3 et permet de réduire la résistance de la région 3 , ce qui réduit la tension résiduelle, et fait accroître le périmètre de la région 7 lui-m#me. Pour bloquer la tétrode bipolaire on fait accroître le rapport entre le courant passant par la sortie 30 de l'anode et le courant passant par la sortie 26 de l'électrode de commande. Le potentiel de la région collecteur 3 augmente alors et les porteurs de charge minoritaires sont refoulés de ses zones, qui se trouvent au-dessus de la zone active 9 de la région base 5. La structure 1 sort de l'état de saturation. La transition de la structure à partir de l'état saturé vers 11 état bloque va dans le sens allant de la fenêtre de contact 7 vers les Fenêtres de contact 16, 18, en résultat, le courant des porteurs minoritaires n'entre que dans la zone passive Il de la région base 5. Alors commence un processus régénératif de réduction du courant de sortie 30 de l'anode et la diminution du courant passant par la sortie 26 de l'électrode de com mande. D'autre part, le rapport entre la distance séparant les dents 35, 37 et leur largeur h1 est ébal à p b / / e. B, ce qui permet d'utiliser uniforménient tout le périmètre de la région 7 ce qui à son tour, de façon analogue au cas de commutation de la tétrode, fait accroître la densité du courant commuté et réduit la tension de blocage de la tétrode. Au cours du blocage, il y a une chute de tension supplémentaire sur les résistances 43, S, ce qui peimet d'améliorer la répartition du courant entre les zones passives 13, 14 de la région 5. Le processus de régénération réduit le courant passant par les sorties 30 et 26 et se termine par la transition de la tétrode à l'état bloqué stable. La présente invention assure la fiabilité de fonction- réent d'une tétrode bipolaire ä semi-conducteurs avec divers types de surintensité de courant et de courants de charge d'avarie. REVENDICATIONS 1. Tétrode bipolaire à semi-conducteurs comportant une structure triode de puissance et au moins une structure triode d'amorçage, qui possèdent une région collecteur et adhérant à lui, une zone à contact fortement doppée (4) communs, chacune desdites triodes possédant une région base qui se compose d'une zone active et d'une zone passive principale, et au moins d'une région émetteur, la région base de la structure triode de puissance possédant au moins une zone passive supplémentaire disposée dans la région collecteur à une distance inférieure à la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires de la région collecteur par rapport à la zone passive principale de la région base, un revêtement de passivation étant prévu à la surface de la région collecteur, des'régions émetteurs et des zones passives des régions bases, caractérisée en ce qu'au moins dans l'une de ses structures triode (1, 2) il est prévu des fenêtres de contact (16, 17, 18, 19, 20) dans le revêtement de passivation (15) au-dessus de la zone où se trouve la région émetteur (7, 8) au-dessus de la zone passive la plus proche (12, 13, 14) de sa région base (5, > ) les susdites fenêtres se trouvant à une. distance t l'unel'une de l''autre, égale à 3 à 5 fois les longueurs de diffusion des porteurs de charge minoritaires de la région collecteur (3). 2. Tétrode bipolaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fenêtres de contact (17, 20) dans le revêtement de passivation (15) au-dessus de la zone où se trouve la région émetteur (7, 8) et la région émetteur lui-même (7, 8) sont réalisées en forme de bande, chaque fenêtre de contact (17, 20) étant disposée le long de l'axe longitudinal (39, 40) de la région metteur (7, 8), et en ce qu'au moins sur un bord de la région émetteur (7, 8) sont aménagées des dents (35, 36, 37, 38), la fenêtre de contact dans le revêtement de passivation (15) au-dessus de la zone correspondante de passivation (13, 14, 12) de la région base (5, 6) se situant du côté des dents (35, 37, 38) de la région émetteur (7, 8). 3. Tétrode bipolaire selon la revendication 2, caractérisée en ce que les dents (35, 37, 36, 38) de la région émetteur (7, 8) sont réalisées avec un profil de forme rectangulaire, le rapport entre la distance (# #) 1' 2 séparant les dents (35, 37, 36, 38) et la largeur (h1, h2) des dents (35, 37, 36, 38) étant égal à f b : f e B, f b étant la résistance superficielle de la zone (11, 12) de la région base (5, 6), g e étant la résistance superficielle de la région émetteur (7, 8), et B étant le gain statique de la structure triode (1, 2) pour son courant de travail nominal. 4. Tétrode bipolaire selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que dans la structure triode de puissance (1) la distance minimale ( 23) séparant les côtés latéraux des dents (35, 37) de la région émetteur (7) et le bord extérieur le plus proche (41, 42) de la zone passive principale (11) de la région de base (5) est inférieure à la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires de la région collecteur (3). 5. Tétrode bipolaire selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'en cas d'une multitude de zones passives supplémentaires (13, 14) de la région de base (5) dans la structure triode de puissance (1), la tétrode comporte en outre des résistances (43, 44), dont chacune est reliée à la zone passive supplémentaire correspondante (13, 14).