Brevet FR2564659A1 — publié le 19851122

La présente invention concerne des dispositifs à semi-conducteur et, plus précisément, un transistor bipolaire de puissance. Les transistors de puissance doivent être en mesure de supporter des énergies relativement élevées, c'est-à- dire des courants et des tensions relativement hauts pendant des temps suffisamment longs. Pour élever la valeur du courant, on réalise des géométries d'émetteur caractérisées par un rapport élevé entre périmètre et surface, comme par exemple les géométries interdigitées, de façon a limiter le phénomène appelé "emitter crowding" ("encombrement d'émetteur") qui, on le sait, consiste en une accumulation du courant dans les zones périphériques de la jonction émetteur-base avec, en conséquence, une altération du gain de courant. 1.5 Un transistor de puissance à structure interdigitée est constitué par une multiplicité de transistors élémentaires semblables, dont les collecteurs, de même que les émetteurs, sont unis entre eux. En outre, dans une structure habituelle de ce type, les bases des transistors élémentaires sont unies entre elles, de telle manière que les tensions base-émetteur relatives soient voisines les unes des autres. En réalité, les transistors élémentaires ne peuvent être considérés comme semblables entre eux qu'en première approximation, car ils présentent en général des différences, tant dans les caracté- ristiques électriques que dans les températures de fonction- nement. En particulier, lorsque la tension collecteur-émetteur augmente, le courant, au lieu de se distribuer uniformément entre tous les transistors élémentaires, peut se concentrer principalement dans quelquesuns d'entre eux, ce qui fait que la puissance délivrée est sensiblement inférieure à la puissance maximale que le transistor dans son ensemble pour- rait fournir et qu'il peut s'établir des processus régéné- ratifs qui provoquent la défaillance du transistor. Un tel mécanisme de détérioration, connu sous le nom de "rupture secondaire directe" (I s/b), constitue l'un des inconvénients principaux des transistors de puissance usuels. Le but de la présente invention est de réaliser un transistor de puissance qui soit activé de manière uniforme sur toute sa surface, même avec des valeurs élevées de la tension collecteur-émetteur, et qui soit par conséquent en mesure de délivrer une puissance sensiblement supérieure à celle d'un transistor de puissance usuel, sans que se mani- festent des phénomènes de rupture secondaire. Le transistor de puissance bipolaire suivant l'inven- tion comporte une borne de base, une borne d'émetteur et une borne de collecteur et il est caractérisé en ce qu'il comprend une multiplicité de transistors élémentaires dont les émetteurs et les collecteurs sont raccordés respectivement aux bornes d'émetteur et de collecteur du transistor de puissance, et un nombre égal de générateurs de courant comportant chacun une borne raccordée individuellement à la base d'un transistor élémentaire. D'autres caractéristiques seront énoncées plus en détail ci-après. L'invention pourra être mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui suit de l'une de ses formes d'exécution, donnée purement à titre d'exemple et, par consé- quent, non restrictive, en référence aux dessins ci-annexés. La figure 1 représente un circuit qui comprend le schéma équivalent simplifié d'un transistor NPN de puissance de type connu. La figure 2 représente un circuit qui comprend le schéma équivalent simplifié d'un transistor NPN de puissance perfectionné suivant l'invention. Sur les figures, les mêmes numéros et lettres de référence ont été utilisés pour les parties correspondantes. Le circuit équivalent de la figure 1 comprend N tran- sistors élémentaires T1, T2... TN de type NPN présentant des électrodes communes de collecteur, d'émetteur et de base, dont les bornes sont indiquées respectivement par C, E et B. Les N transistors élémentaires sont pilotés par un étage de commande G, représenté sur la figure par un générateur de courant, qui introduit un courant I dans l'électrode de base. A un instant donné du fonctionnement, il y a une tension Vce entre les électrodes de collecteur et d'émetteur. Si les transistors T1, T2... TN sont semblables, le courant I se distribue de manière égale entre les N bases; les N transistors ont donc un courant de collecteur égal Ic et chacun d'eux dissipe une puissance IcVce. Dans une telle situation, si le courant I délivré par le générateur augmente, les courants de collecteur et les dissipations augmentent de la même manière dans les N transistors. Comme on l'a indiqué précédemment, il y a au con- traire, dans la situation réelle, une probabilité élevée pour qu'il existe des différences entre les caractéristiques des transistors élémentaires et entre- leurs températures. Ces différences deviennent significatives à l'augmentation de la tension Vce et donnent lieu à des phénomènes d'instabi- lité thernico-électrique qui peuvent provoquer, par rupture secondaire, la détérioration du transistor de puissance. Si par exemple le transistor T2 vient à se trouver à une température légèrement supérieure par rapport aux autres transistors, attendu que sa tension base-émetteur ne peut pas diminuer puisqu'elle est liée à celle des autres, il se produit une augmentation de son courant de base et, par suite, du courant de collecteur (le Ic subit une augmentation de l'ordre de 8 % par degré centigrade, pour de petites varia- tions de la température) et de la dissipation, aux dépens des autres transistors. Cela provoque une élévation plus sensible de la température de T2, qui donne lieu à une augmen- tation supplémentaire de la puissance dissipée par celui- ci. L'effet est cumulatif et, le cas échéant, le courant I peut s'écouler presque entièrement dans la base de T2. - La situation décrite ci-dessus se produit par le fait que les transistors élémentaires ne sont pas indépendants entre eux, ce qui fait que si l'un fonctionne de façon anor- male, il influence le comportement des autres. Une solution connue du problème de la rupture secon- daire consiste à insérer une résistance, dite de compensation (résistance ballast), en série avec l'émetteur de chaque transistor élémentaire, pour introduire une réaction négative qui en stabilise le comportement. Une autre solution connue, exposée par exemple dans le brevet anglais n' 1 467 612, consiste à remplacer chaque transistor élémentaire NPN par une, paire de transistors NPN, l'un de pilotage et l'autre de sortie, montés entre eux en "cascode" ou suivant le montage de Darlington et disposés géométriquement de telle manière que le transistor de sortie soit accouplé thermiquement avec le transistor de pilotage d'une autre paire, plutôt qu'avec celui de sa propre-paire, de façon à obtenir une compensation des déséquilibres thermiques. Toutefois, ces solutions ne résolvent que partiellement le problème de la rupture secon- daire et, de plus, au prix d'une plus grande tension de satu- ration. - Le problème en question est résolu dans un transistor de puissance réalisé suivant l'invention, dont l'une des formes d"exécution est représentée par le schéma de circuit 25. de la figure 2. Sur cette figure, les bases des transistors Ti, T2... TN, au lieu d'être unies entre elles comme sur la figure 1, sont indépendantes les unes des autres et chacune d'entre elles est pilotée au moyen de son propre générateur de courant, réalisé sous la forme d'un transistor bipolaire de type PNP, dont le collecteur est raccordé à la base elle- même. Les N transistors PNP sont dé-signés sur la figure par G1, G2... GN. Leurs émetteurs- sont reliés ensemble à la borne de collecteur C du transistor -de puissance et leurs -bases sont unies entre elles-et. reliées, au moyen de la borne de base B, à la sortie d'un- étage de commande G, représenté sur la figure par un générateur de courant. Les transistors de commande G1, G2... GN ont une dissipation très inférieure à celle des transistors de sortie T1, T2... TN, par le fait qu'ils fournissent seulement les courants de base pour ces transistors, et ils ne sont donc pas sujets à des phénomènes de rupture secondaire. Dans le transistor de puissance suivant l'invention, les transistors élémentaires T1, T2... TN sont tous commandés en courant (les courants de base) et les tensions base-émet- teur relatives ne sont pas liées les unes des autres. Lorsque la situation thermico-électrique varie, la tension base- émetteur de chaque transistor élémentaire est libre de se modifier, ce qui fait que les répercussions sur le courant de collecteur du transistor sont négligeables. En effet, ce courant est uniquement influencé par les variations du gain de courant avec la température. Comme on le sait, de telles variations sont de l'ordre de 0,5 % par degré centi- grade, nettement inférieures aux variations, de l'ordre de 8 % par degré centigrade, que l'on observe dans le circuit de la figure 1. La distribution de courant est uniforme sur toute la surface du transistor de puissance, qui est donc en mesure de délivrer des puissances très élevées. Le transistor de puissance suivant l'invention peut être réalisé sous forme de circuit intégré monolithique par les techniques usuelles d'intégration pour circuits bipo- laires, comme par exemple la technique planar utilisée pour obtenir la structure décrite dans le brevet US 3 544 860. En particulier, les transistors T1, T2... TN sont de préf é- rence des transistors NPN verticaux et les transistors G1, G2... GN sont de préférence des transistors PNP latéraux. - REVENDICATIONS - 1. Transistor de puissance bipolaire comportant une borne de base (B), une borne d'émetteur (E) et une borne de collecteur (C), caractérisé en ce qu'il comprend une multi- plicité de transistors élémentaires (Tl, T2.... TN) dont les émetteurs et les collecteurs sont raccordés respectivement aux bornes d'émetteur et de collecteur du transistor de puis- sance, et un nombre égal de générateurs de courant (G1, G2 GN) comportant chacun une borne raccordée indivuellement à la base d'un transistor élémentaire. 2. Transistor de puissance bipolaire selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les générateurs de courant sont des transistors de polarité opposée à celle des transis- tors élémentaires. 3. Transistor de puissance bipolaire selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé en ce que les transistors élémen- taires sont des transistors de type NPN et les générateurs de courant sont des transistors de type PNP, dont les collec- teurs constituent lesdites bornes des générateurs de courant. 4. Transistor de puissance bipolaire selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que les transistors de type PNP ont les bases et les émetteurs raccordés respectivement aux bornes de base et de collecteur du transistor de puissance. 5. Transistor de puissance bipolaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous forme de circuit intégre monolithique.