Brevet FR2544934A1 — publié le 19841026

La présente invention concerne un circuit électri- que non conducteur au repos ayant une faible résistance à l'état conducteur, et elle porte en particulier sur un cir- cuit utilisable pour des applications de commutation de puissance. Un transistor à effet de champ (TEC) à jonction de l'art antérieur du type à canal N comprend de façon caracté- ristique une région de canal en matière semiconductrice de type N et une région de grille de type P adjacente à la région de canal de type N et formant avec elle une jonction P-N Lorsque cette jonction P-N est polarisée en inverse par une polarisation appropriée de la région de grille de type P, une région de déplétion est formée dans la région de canal de type N à proximité de la jonction P-N, et elle s'étend dans la région de canal de façon à rétrécir la par- tie du canal qui peut conduire le courant Lorsque la région de déplétion s'est étendue sur toute la largeur du canal, le TEC à jonction est ce qu'on appelle une condition de bloca- ge, dans laquelle il ne peut pas conduire le courant. Un TEC à jonction est un dispositif conducteur à l'état de repos; c'est-àdire qu'une région de grille du TEC à jonction doit être polarisée activement pour bloquer le TEC à jonction et pour faire cesser la conduction du cou- rant dans le dispositif Cependant, dans de nombreuses applications, il est souhaitable d'avoir un fonctionnement correspondant à un dispositif bloqué au repos On parvient à un tel fonctionnement bloqué au repos dans un circuit élec- trique qui est décrit et revendiqué dans la demande de brevet US 257 080 déposée le 24 avril 1981 Dans un tel circuit, un TEC à jonction est connecté en série à un transistor bipo- laire, et l'électrode de base du transistor bipolaire fait fonction d'électrode de commande pour l'ensemble du circuit. On parvient à un fonctionnement bloqué au repos pour le TEC à jonction du fait que l'électrode de base doit être polari- sée de façon appropriée pour débloquer le transistor bipo- laire et permettre au TEC à jonction de conduire le courant. Dans le circuit électrique précédent, la grille du TEC à jonction est reliée électriquement de façon directe à l'émetteur du transistor bipolaire, ce qui fait que la jonc- tion P-N du TEC à jonction est polarisée en inverse, au moins dans une faible mesure, lorsque le TEC à jonction con- duit un courant Il en résulte que ce circuit ne peut pas bénéficier d'une technique destinée à abaisser notablement la résistance à l'état conducteur d'un TEC à jonction, qui exige de polariser en sens direct la jonction P-N du TEC à jonction Dans un TEC à jonction dont la jonction PN est suffisamment polarisée en sens direct pour utiliser cette technique, la région de grille de type P du TEC à jonction injecte des trous dans la région de canal de type N qui con- tient déjà des électrons, ce qui fait que le TEC à jonction fonctionne dans un mode de conduction bipolaire Ceci entraîne un abaissement de la résistance du canal et donc de la résistance à l'état conducteur du TEC à jonction En commandant le niveau de la tension de polarisation appliquée à la grille du TEC à jonction, on module l'importance de l'injection de oorteurs dans le canal de type N, et donc la résistance du TEC à jonction à l'état conducteur Cette technique est décrite en détail dans un article de B J. Baliga, intitulé "Bipolar Operation of Power Junction Gate FieldEffect-Transistois", Electron Letters, Vol 16 ( 1980), pages 300-301 cui est incorporé ici par référence. Il serait souhaitable de procurer un circuit élec- trique comprenant un TEC à jonction et fonctionnant dans un mode bloqué au repos, mais qui utilise néanmoins la technique précédente pour assurer une diminution-notable de la résis- tance à l'état conducteur, par polarisation en sens direct de sa jonction P-N. Un but de l'invention est donc de procurer un cir- cuit électrique comprenant un TEC à jonction et fonctionnant dans un mode bloqué au repos, avec une résistance à l'état conducteur notablement réduite lorsque la jonction P-N du TEC à jonction est polarisée en sens direct. Un but supplémentaire de l'invention est de procurer unciruit Lectrtqueayantune une électrode de commande, comprenant un TEC à jonction et fonctionnant dans un mode bloqué au repos avec une résistance à l'état conducteur réduite, dans lequel l'impédance d'entrée de grille du circuit est avanta- geusement élevée. Un mode de réalisation préféré de l'invention pro- cure un circuit électrique comprenant un TEC à jonction avec des électrodes de source, de drain et de grille; et un transistor à effet de champ (TEC) à grille isolée qui com- porte des électrodes de source,de drain et de grille et qui est du type bloqué au repos L'électrode de source du TEC à jonction est connectée de façon ohmique à l'électrode de drain du TEC à grille isolée, et l'électrode de drain du TEC à jonction et l'électrode de source du TEC à grille isolée sont prévues de façon à faire circuler un courant de charge dans le circuit L'électrode de grille du TEC à grille iso- lée constitue une électrode de commande du circuit destinée à recevoir des signaux de commande qui déterminent l'état de conductivité du circuit Le circuit comprend en outre des moyens de polarisation interconnectés à la fois à l'électrode de grille du TEC à jonction et à celle du TEC à grille iso- lée, et qui réagissent à des signaux de commande appliqués à l'électrode de commande du circuit de façon à polariser le TEC à jonction dans un mode de conduction bipolaire lorsque 2544934 ' le TEC à grille isolée est polarisé dans un état conducteur, ce qui permet d'obtenir une faible résistance à l'état con- ducteur dans le circuit électrique. Les moyens de polarisation du circuit électrique peuvent comprendre par exemple une résistance intercalée électriquement entre les électrodes de grille du TEC à jonc- tion et du TEC à grille isolée Une forme plus préférable des moyens de polarisation comprend un second TEC à grille isolée qui comporte des électrodes de source, de drain et de grille et qui est du type bloqué au repos, avec l'électrode de grille du second TEC à grille isolée connectée à l'élec- trode de grille du TEC à grille isolée mentionné en premier, l'électrode de source du second TEC à grille isolée connec- tée à l'électrode de grille du TEC à jonction, et l'électrode de drain du second TEC à grille isolée connectée à l'électro- de de drain du TEC à jonction L'utilisation des moyens de polarisation précédents dans le circuit électrique donne avantageusement une impédance d'entrée élevée à l'électrode de commande du circuit. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent respectivement: Figure 1: un schéma d'un circuit électrique ayant une électrode de commande, qui est bloqué au repos et présen- te une faible résistance à l'état conducteur, conformément à l'invention; et Figure 2: un schéma d'un autre circu it électrique ayant une électrode de commande, -qui est bloqué au repos et présente une faible résistance à l'état conducteur, conformé- ment à un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 1 montre un circuit électrique 10 confor- me à l'invention Le circuit 10 comprend un TEC à jonction 12 ayant des électrodes de source, de drain et de grille portant respectivement les références 12 S, 12 D et 12 G, Le TEC à jonction 12 est de préférence du type à canal N et, comme on le sait, est du type conducteur au repos Pour faire fonc- tionner le circuit 10 dans un mode bloqué au repos, on utili- se en outre un TEC à grille isolée 14, du type bloqué au repos (ou à mode d'enrichissement), qui est de préférence du type à canal N Le TEC à grille isolée 14 comporte des élec- trodes de source, de drain et de grille portant respective- ment les références 14 S, 14 D et 14 G L'électrode de drain 14 D du TEC à grille isolée est interconnectée de façon ohmi- que à l'électrode de source 12 S du TEC à jonction L'électro- de de drain 12 D du TEC à jonction et l'électrode de source 14 S du TEC à grille isolée sont prévues pour être connectées à un circuit externe (non représenté), de façon à faire cir- culer un courant de charge dans le circuit 10 Le TEC à jonction 12 et le TEC à grille isolée 14 consistent en transistors du type à canal N, l'électrode de drain 12 D du TEC à jonction constitue l'électrode d'anode du circuit 10 et l'électrode de source 14 S du TEC à grille isolée constitue l'électrode de cathode du circuit 10. L'électrode de grille 14 G du TEC à grille isolée doit recevoir des signaux de commande destinés à déterminer l'état de conductivité du circuit électrique 10 entre l'électrode d'anode 12 D et l'électrode de cathode 145 Par conséquent, l'électrode de grille 14 G du TEC à grille isolée est représentée avec une connexion électrique directe à l'électrode de commande 16 du circuit 10, de façon qu'elles soient électriquement indistinguables l'une de l'autre. Pour parvenir à une faible résistance à l'état conducteur dans le circuit 10, on utilise des moyens de polarisation du TEC à jonction, 18, interconnectés de façon ohmique à la fois à l'électrode de grille 12 G du TEC à jonction et à l'électrode de grille 14 G du TEC à grille iso- lée Les moyens de polarisation 18 réagissent à des signaux de commande appliqués sur la grille 14 G du TEC à grille iso- lée et ont pour fonction de polariser le TEC à jonction 12 dans un mode de conduction bipolaire, en polarisant en sens direct la jonction P-N interne (non représentée) du TEC à jonction 12, à une valeur supérieure à environ 0,6 V, tout au moins pour un dispositif 12 au silicium. Le mode de réalisation particulier des moyens de polarisation du TEC à jonction, 18, qui est représenté sur la figure 1 comprend un élément à impédance, tel qu'une résistance R, dont l'une des bornes est connectée à l'élec- trode de grille 12 G du TEC à jonction, et dont l'autre borne est connectée à l'électrode de grille 14 G du TEC à grille isolée On choisit la valeur d'impédance de la résistance R pour faire en sorte que le TEC à jonction 12 soit polarisé dans un mode de conduction bipolaire au moment o un signal de commande appliqué sur l'électrode de commande 16 du cir- cuit polarise le TEC à grille isolée 14 dans un état conduc- teur A titre d'exemple, lorsque le circuit électrique 10 est prévu pour faire circuler un courant de 2 A et lorsque la tension de polarisation disponible pour l'électrode de commande 16 est dans la plage d'environ 5 à 10 V, pour un TEC à jonction 12 au silicium, la valeur de la résistance R est de façon caractéristique dans la plage d'environ 251 L à 50 f Le TEC à jonction 12, qui est de préférence du type à grille en retrait, consiste de façon caractéristique en un transistor à tension de claquage élevée, d'une valeur nominale caractéristique de 600 V, et le TEC à grille isolée 14 consiste de façon caractéristique en un transistor à ten- sion de claquage faible, d'une valeur nominale caractéristi- que de 50 V On a construit et testé un circuit électrique comportant un TEC à jonction 12 et un TEC à grille isolée 14 sélectionnés conformément aux caractéristiques précéden- tes, et un tel circuit 10 présente une valeur de résistance à l'état conducteur d'environ 10 2 R /cm 2 On parvient à cette faible valeur de résistance à l'état conducteur grâce à l'utilisation des moyens de polarisation du TEC à jonc- tion, 18, qui ont pour fonction de polariser dans un mode de conduction bipolaire le TEC à jonction 12 A titre de compa- 2544934 t raison, si le TEC à jonction 12 n'était pas polarisé dans un mode de conduction bipolaire avec les moyens de polarisation 18, la résistance à l'état conducteur du TEC à jonction 12 et du TEC à grille isolée 14 connectés en série serait d'environ 1 úL/cm, soit une augmentation de résistance d'environ 100 fois par rapport à celle du circuit électrique comportant les moyens de polarisation du TEC à jonction, 18. Chacun des éléments comprenant le TEC à jonction, 12, le TEC à grille isolée 14 et la résistance R peut 8 tre un élément de circuit individuel ou discret, ou bien deux quelconques des éléments de circuit, ou de préférence les trois, peuvent être fabriqués sous la forme (non représentée) d'un circuit intégré monolithique. On va maintenant considérer la figure 2 qui repré- sente un circuit électrique 200 conforme à un autre mode de réalisation de l'invention Le circuit 200 est de façon appropriée identique au circuit 10 de la figure 1, à l'exception de l'inclusion de moyens de polarisation diffé- rents, 218, pour le TEC à jonction, ce qui a pour effet avantageux de donner une impédance d'entrée élevée à l'élec- trode de commande 16 du circuit 200. Les moyens de polarisation du TEC à jonction, 218, comprennent un TEC à grille isolée 220 qui a des électrodes de source, de drain et de grille 220 S, 220 D et 220 G, et qui est du type bloqué au repos Le TEC à grille isolée 220 doit être du type à canal N Le TEC à grille isolée 220 a de pré- férence une valeur nominale de tension de claquage compara- ble à celle du TEC à Jonction 212, dans la mesure ou le TEC à grille isolée 220 comme le TEC à jonction 212,supportent pratiquement la même tension lorsque le circuit est dans un état bloqué L'électrode de source 220 S du TEC à grille iso- lée est connectée de façon ohmique à l'électrode de grille 212 G du TEC à jonction, et l'électrode de drain 220 D du TEC à grille isolée est connectée de façon ohmique à l'électrode de drain 212 D du TEC à jonction L'électrode de grille 220 G du TEC à grille isolée est connectée électriquement de façon directe à l'électrode de grille 214 G du TEC à grille isolée, de façon à être indistinguable de cette dernière, ainsi que de l'électrode de commande 216 du circuit, sur laquelle sont appliqués des signaux de commande destinés à déterminer l'état de conductivité du circuit 200 L'électrode de comman- de 216 a avantageusement une impédance d'entrée élevée du fait qu'elle est uniquement connectée aux électrodes de grille à impédance d'entrée élevée 214 G et 220 G Par consé- quent, un circuit de commande approprié (non représenté) pour l'électrode de commande 216 peut être moins compliqué qu'un circuit de commande approprié (non représenté) pour l'électrode de commande 16 du circuit électrique 10 (figure 1), du fait que contrairement au circuit de commande pour l'électrode de commande 16, le circuit de commande pour l'électrode de commande 26 ne doit fournir qu'un faible niveau de courant. Dans le fonctionnement du circuit électrique 200, le TEC à jonction 212 est polarisé dans un mode de conduction bipolaire lorsque la tension de l'anode 212 D, par rapport à la cathode 214 S, est suffisamment élevée pour polariser en sens direct la jonction P-N dans le TEC à jonction 212 (c'est-à-dire la jonction entre l'électrode de grille 212 G du TEC à jonction et son électrode de source 212 S), avec une valeur supérieure à environ 0,6 V, tout au moins pour un TEC à jonction 212 au silicium Du fait que les chutes de tension aux bornes des TEC à grille isolée 220 et 214 sont négligea- bles par rapport à 0,6 V, ceci signifie que l'anode 212 D doit être polarisée de façon similaire à une valeur supérieure à environ 0,6 V avant que le TEC à jonction 212 ne soit polari- sé dans un mode de conduction bipolaire. On pourra mieux apprécier l'effet de l'exigence précédente d'une polarisation de 0,6 V pour l'anode 212 D en considérant la représentation graphique des caractéristiques 2544934 ' de sortie ou I-V du circuit électrique 200, apparaissant sur la figure 3 Comme il est indiqué sur la figure 3, le circuit électrique 200 présente une très faible résistance à l'état conducteur une fois que la tension anode-cathode dépasse 0,6 V, comme l'indique la pente élevée de la courbe 300 Pour des tensions anode-cathode inférieures, pour lesquelles le TEC à jonction 212 n'est pas polarisé dans un mode de conduc- tion bipolaire, le circuit 200 présente, comme il est repré- senté sous une forme exagérée, une région active dans laquel- le sa tension anode-cathode est déterminée de façon prédomi- nante par la polarisation du TEC à grille isolée 214. Le circuit électrique 200 parvient à la même valeur faible de résistance à l'état conducteur que le circuit élec- trique 10 de la figure 1, comme on l'a envisagé ci-dessus en termes quantitatifs Le circuit 200 présente en outre une vitesse de blocage très élevée Dans un test de vitesse de blocage du circuit 200, comportant des dispositifs 212, 214 et 220 ayant des valeurs nominales de tension de claquage respectives de 600 V, 50 V et 500 V, et une charge de 200-CL alimentée par une source de tension continue de 150 V connec- tée entre l'anode 212 D et la cathode 214 S, le circuit 200 a présenté une durée de stockage de porteurs courte, d'envi- ron 100 ns, suivie par une durée de diminution rapide du courant, en moins d'environ 500 ns Le circuit électrique 210 est donc avantageusement bien adapté à des applications de commutation de puissance à des fréquences élevées allant jusqu'à environ 100 k Hz, dans lesquelles il est capital que les pertes de commutation soient faibles. Chaque élément comprenant le TEC à jonction 212, le TEC à grille isolée 214 et le TEC à grille isolée 220 peut être constitué par un élément de circuit individuel ou discret, ou bien deux quelconques des dispositifs, ou de préférence les trois, peuvent être réalisés sous la forme (non représentée) d'un circuit intégré monolithique. On vient de décrire différentes versions d'un cir- cuit électrique comprenant un TEC à jonction et fonctionnant dans un mode bloqué au repos, et ce circuit parvient à une réduction notable de la résistance à l'état conducteur, par polarisation en sens direct de la jonction P-N du TEC à jonction Une version préférée du circuit possède avantageu- sement une électrode de commande ayant une impédance d'entrée élevée. Les modes de réalisation particuliers décrits peu- vent faire l'objet de nombreuses modifications On pourrait par exemple réaliser des circuits électriques utilisant des dispositifs semiconducteurs complémentaires; c'est-à-dire qu'on pourrait remplacer un TEC à jonction à canal N par un TEC à jonction à canal P, et des TEC à grille isolée à canal N par des TEC à grille isolée à canal P. REVENDICATIONS 1 Circuit électrique comportant une électrode de commande, bloqué au repos et ayant une faible résistance à l'état conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un transistor à effet de champ ou TEC à jonction ( 12, 212) ayant des électrodes de source ( 12 S, 212 S), de drain ( 12 D, 212 D) et de grille ( 12 G, 212 G); (b) un TEC à grille isolée ( 14, 214) ayant des électrodes de sources ( 14 S, 2145), de drain ( 14 D, 214 D) et de grille ( 14 G, 214 G), et étant du type bloqué au repos; (c) l'électrode de source ( 12 S, 2125) du TEC à jonction et l'électrode de drain ( 14 D, 214 D) du TEC à grille isolée étant connectées ensemble de façon ohmique, tandis que l'électrode de drain ( 12 D, 212 D) du TEC à jonction et l'électrode de source ( 14 S, 214 S) du TEC à grille isolée sont prévues de façon à faire circuler un courant de charge dans le circuit électrique ( 10, 200); (d) l'électrode de grille ( 14 G, 214 G) du TEC à grille isolée constituant une électrode de commande du circuit ( 16, 216) destinée a rece- voir des signaux de commande qui déterminent l'état de con- ductivité du circuit; et (e) des moyens de polarisation ( 18, 218) interconnectés à la fois à l'électrode de grille ( 12 G, 212 G) du TEC à jonction et à celle ( 14 G, 214 G) du TEC à grille isolée, et réagissant à des signaux de commande présents sur l'électrode de commande du circuit ( 16, 216) en polarisant le TEC à jonction ( 12, 212) dans un mode de conduction bipolaire lorsque le TEC à grille isolée ( 14, 214) est dans un état de conduction, ce qui donne une faible résistance du circuit électrique ( 10, 200) à l'état conduc- teur. 2 Circuit électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de polarisation ( 18, 218) comprennent un élément à impédance (R, 220) qui est interca- lé électriquement entre l'électrode de grille ( 14 G, 214 G) du TEC à grille isolée et l'électrode de grille ( 12 G, 212 G) = 2544934 12 C du TEC à jonction. 3 Circuit électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément à impédance consiste en une résistance (R) qui est intercalée électriquement entre l'électrode de grille ( 12 G) du TEC à jonction et l'électrode de grille ( 14 G) du TEC à grille isolée. 4 Circuit électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le TEC à jonction ( 12, 212) et le TEC à grille isolée ( 14, 214) sont des dispositifs du type à canal N. Circuit électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de polarisation ( 218) com- prennent un second TEC à grille isolée ( 220) qui a des élec- trodes de source ( 220 S),de drain ( 220 D) et de grille ( 220 G) et qui est du type bloqué au repos; l'électrode de grille ( 220 G) du second TEC à grille isolée est reliée électrique- ment de façon directe à l'électrode de grille ( 214 G) du TEC à grille isolée mentionné en premier, l'électrode de source ( 220 S) du second TEC à grille isolée est connectée de façon ohmique à l'électrode de grille ( 212 G) du TEC à jonction et l'électrode de drain ( 220 D) du second TEC à grille isolée est connectée de façon ohmique à l'électrode de drain ( 212 D) du TEC à jonction, grâce à quoi l'électrode de commande du circuit ( 216) présente une impédance d'entrée élevée. 6 Circuit électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le TEC à jonction ( 212) consiste en un dispositif du type à canal N et le TEC à grille isolée mentionné en premier ( 214) et le second TEC à grilleisolée ( 220) sont des dispositifs du type à canal N.