Brevet FR2566582A1 — publié le 19851227

DISPOSITIF BIDIRECTIONNEL DE PROTECTION DECLENCHE PAR AVALANCHE La présente invention concerne un composant semiconducteur bidirectionnel monolithique destiné à la protection rapide de circuits contre des surtensions élevées. Ce composant est ici une intégration tête-bêche de deux structures PNPN sans gâchette, qui est normalement bloqué et qui devient conducteur lorsqu'il s'amorce sous l'effet d'une surtension positive ou négative. Ce dispositif de prbtec tion est en principe placé entre les bornes d'entrée ou d'alimentation d'un circuit lorsque les lignes d'entrée ou d'alimentation sont suscep tibles de recevoir des surtensions transitoires élevées qui pourraient endommager ce circuit. Un tel dispositif de protection connu comprend, sur une même pastille semiconductrice, deux thyristors adjacents NPNP et PNPN tête-bêche, la région N centrale étant commune aux deux thyristors, les surfaces avant et arrière des pastilles étant unfformément métallisées pour former une première électrode (anode d'un thyris toe et cathode de l'autre) et une deuxième électrode (cathode du premier thyristor et anode de l'autre). Le pourtour de la pastille est délimité sur chaque face par un sillon périphérique qui coupe la jonction entre la région de type N centrale et la région de type P adjacente à cette région N du c & é de la face considérée. Le sillon n'est pas recouvert de métal mais d'une couche de passivation (verre). Le dispositif se déclenche, en cas de surtension, par une mise en avalanche d'une partie de la jonction entre la région N centrale et l'une ou l'autre des régions P adjacentes, selon le sens de la tension, le courant d'avalanche créant une injection de charges capable d'amorcer localement l'un des thyristors. La zone d'amor Sage, initialement localisée du caté du point de déclenchement de l'avalanche, s'étend progressivement à tout le thyristor. Dans ce qui suite, on appellera parfois "triac" ce composant bien que cette appelation ne soit pas véritablement adéquate du fait de l'absence de gâchette. Dans un tel triac sans électrode de gâchette, l'avalanche initiale se produit à la périphérie de la jonction PN en raison du sillonnage et il peut en résulter des problèmes de non-uniformité d'amorçage, donc de densités de puissance excessives an certains endroits et pouvant endommager prématurément le dispositif Si la structure n'est pas prévue pour autoriser une large tache initiale d'amorçage. Pour améliorer l'efficacité, l'uniformité et la rapid çage des dispositifs bidirectionnels de de protection, donc réduire le risque de destruction ou d'endommagement local, on propose selon l'invention un composant constitué de la maniera suivante: il comprend classiquement une pastille semiconductrice incorporant deux thyristors tête-bêche juxtaposés, chaque thyristor comportant une région d'anode de type P, une région centrale de type N, une région dite de gâchette interne de type 29 et une région de cathode de type N, les régions centrales de type N des deux thyristors étant constituées par une même couche de substrat de type N, une métallisation uniforme recouvrant sur chaque face la région d'anode et la région de cathode aleurant sur cette face, et un sillon périphérique passivé étant creusé dans chaque face à la périphérie de la pastille jusque dans la région centrale de type N, ce sillon entourant l'ensemble de la métallisation anode et de cathode de cette faces le triac comportant encore sur chaque face des trous de court-circuit par lesquels la région de gâchette de type P remonte à travers la région de cathode de type N jusque la métallisation qui la recouvre ; de plus, selon l'invention, on prévoit, sur chaque face, un sillon médian passivé creusé jusqu'à la région centrale de type N, ce sillon séparant compléterment la région de cathode d'un thyristor de la région anode de l'autre thyristor, la jonction entre la région de cathode et la région de @âchette d'un thyristor s'arrêtant sur une zone passivée sur le sillon médian ou au voisinage immédiat du sillon médian et ne remontant pas vers la métallisation de surface au voisinage du sillon médian, et les trous de court-circuit étant répartis dans la région de cathode de manière à ne pas se trouver à proximité immédiate du sillon médian ou du sillon périphérique. La iocalisation des trous de court-circuit est- de plus faite de façon homogène vis-à-vis du tracé des sillons, c'est-à- dire tant vis-à-vis des sillons périphériques que vis-à-vis des sillons médians. On expliquera mieux les avantages de cette structure dans la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente en coupe verticale un triac de protection classique; - la figure 2 représente ce triac en vue de dessus; - la figure 3 représente en coupe verticale le dispositif de protection selon l'invention - la figure 4 représente en vue de dessus le dispositif selon l'invention. Sur la figure 1 (coupe transversale selon la ligne A-A de la figure 2) et sur la figure 2 (vue de dessus), on voit un triac de protection classique normé dans une pastille semiconductrice. Sans reprendre la description déjà faite d'un tel triac, on précise ici qu'on a désigné le premier thyristor par THI (partie gauche des figures) et le deuxième par TH2 (partie droite); les régions d'anodes de type P de TH 1 et -TH2 par ANI et AN2; les régions centrales de type N par CEI et CE2 mais ces régions sont constituées par une couche commune qui est le substrat de départ de la pastille; les régions dites de gâchette interne de type P par GAI et GA2, les régions de cathode de type N par CAI et CA2; les métallisations par ME I pour l'une des faces et ME2 pour l'autre ; le sillon périphérique entourant la pastille par SPI sur la première face et par SP2 pour la deuxième faces et enfin les couches de passe vation recouvrant ces sillons par PAl(sillon SPI) et PA2 (sillon SP2). Le fonctionnement de principe de ce dispositif est le suivant: le triac est normalement non conducteur ; en cas de surtension entre les métallisations ME1 et ME2 qui sont reliées aux bornes extérieures du triac, cette surtension se reporte essentiellement aux bornes de la jonction PN entre couche centrale et région de gâchette de l'un ou l'autre des deux thyristors, selon le sens de la surtension. Dans la suite de la description9 on considèrera que la métallisation ME2 est portée à un potentiel plus élevé que la métallisation ME I. Le raisonnement serait tout à Mait symétrique dans le cas contraire. La jonction entre - la région d'anode AN1 ou la région de gâchette GA2 et la région centrale CEB, CE2 est polarisée en direct et la surtension se-reporte donc aux bornes de la jonction (polarisée en inverse) entre la région centrale CE 1 et la région de gâchette GA1 du thyristor TH1, de même d'ailleurs qu'entre la région centrale CE2 (qui est constituée par la même couche de type N que CE1) et la région d'anode AN2 (qui est constituée par la même couche de type P que GAI) du thyristor TH2. Lorsque la surtension dépasse. une certaine valeur, cette jonction NP polarisée en inverse se met en régime d'avalanche ; ce phénomène n'est toutefois pas uniforme sur toute la surface de la jonction; au contraire le claquage par avalanche se produit essentiellement là où le champ électrique est renforcé, c'est-à-dire là où la jonction rencontre le sillon périphérique SPl.Cette propriété spécifique est due tant au profil du sillon qu'à la nature du diélectrique utilisé pour passiver la jonction; Le courant périphérique qui en résulte tend à se diriger de la zone d'avalanche vers l'électrode ME1, là où elle est en contact avec la couche AN2 de type P. Ce courant circule dans une région résistive de type P et il en résulte, au-dessous de la région de cathode CA du thyristor TH1, une chute de potentiel latérale qui est suffisante pour engendrer l'injection d'électrons de la cathode dans la gâcileite, et par suite un déclenchement du thyristor TH 1. Des trous de court-circuit CC1 (thyristor THI) et CC2 (TH12) sont prévus pour contribuer à l'évacuation du courant d'avalanche vers la métallisation ME I : ces trous sont des remontées de la région de gâchette GAI (GA2) à travers les régions de cathode CA1 (CA2) jusqu'à la métallisation ME1 (ME2). Le courant d'avalanche peut donc jouer le r8le d'un courant de gâchette interne dans ce dispositif sans électrode de gâchette. Lorsque la surtension a disparu, le triac se bloque à nouveau dès le moment où il cesse d'être parcouru par un courant suffisant, c'est-a- dire lorsque le courant descend au-dessous du courant dit de maintien. Malheureusement, dans cette structure, le phénomène d'ava- tanche se produit sur toute la périphérie de la jonction CE1, GAI, et notamment au voisinage de la ligne de séparation entre les thy- ristors TII i et TH2, c'est-à-dire au voisinage des points S et T de la figure 2. Or, en ces points, le courant d1avalanche rejoint direc- tement la métallisation ME1, sans passer sous la cathode C1 du thyristor TII i, donc en générant dans ce voisinage une différence de potentiel latérale inhomogène vis-à-vis du reste de la périphérie du dispositif et par la suite peu favorable à l'amorçage périphérique uniforme du dispositif. Le thyristor TII 1 s'amorce donc de manière non uniforme et il y a alors risque d'endommagement ou de destruction du triac du fait de cet amorçage non uniforme. Pour éviter ce phénomène, la présente invention propose une structure conforme aux figures 3 et 4 qui sont à rapprocher respectivement des figures I et 2 et qui portent les mêmes références pour les mimes éléments; dans cette structure, on a prévu sur chaque face un sillon médian SM1, 5112, passivé par une couche de passivation PA3, pA4, qui est creusé jusqu'à la couche centrale CE1, CE2 et qui sépare les deux thyristors THI I et TH2, de telle sorte que:: - la jonction entre les régions CE 1 et GAI (CE2 et GA2) aboutit sur le sillon médian SPI (SP2) d2 même que la ponction entre les régions CE2 et AN2 (CE1 et AN1), - la jonction entre les régions Cl et GAI (CA2 et GA2) s'arrête aussi sur le sillon SPB (SP2) sans remonter vers la métallisation ME1 (ME2) au voisinage du sillon, - des trous de court-circuits CC I (CC2) rejoignant la métallisation de cathode sont prévus, répartis dans la zone de cathode du thyristor TII i (TH2) de manière que ces trous ne se situent pas au contact du sillon médian ou périphérique.La position de ces trous et leur répartition vis-a-vis de l'ensemble du sillonnage, c'est-à-dire périphérique et médian, est réalisée de manière homogène. Il est à noter que cette disposition permet de distribuer de façon homogène la résistance latérale située dans la zone P (GAI, GA2) entre les sillons et les trous de court-circuit. Cette résistance contr8le le potentiel latéral périphérique interne à la couche CAB et sous jacent à l'émetteur CA1, lequel sera responsable de la mise en injection périphérique de l'émetteur Cati. L'uniformité de cette résistance favorisera l'amorçage périphérique uniforme. La métallisation ME1 est maintenant séparée en une zone recouvrant la cathode du thyristor TII i et une zone recouvrant l'anode du thyristor TH2, mais ces deux zones sont connectées à la même borne extérieure du triac De même évidemment pour la métallisation ME2. Avec cette disposition, on améliore beaucoup l'uniformité d'amorçage et donc la vitesse de mise en conduction de l'ensemble du triac, en réduisant les risques d'endommagement La large tache initiale d'amorçage augmentera également la tenue aux surcharges brèves. Dans des variantes de réalisation, on peut prévoir que la jonction entre région de gâchette et région de cathode ne s'arrête pas sur le sillon périphérique ou médian mais remonte vers une zone de surface passivée (donc non métallisée) au voisinage de ces sillons (le région de gâchette remontant donc à la surface mais sans être recouverte par la métallisation). La zone périphérique située entre la frontière externe non métallisée de la couche CAl peut alors être utilisée pour bâtir une résistance périphérique- additionnelle de ballastage qui pourra contribuer à améliorer encore l'uniformité de la répartition périphérique du courant d'avalanche et par suite l'amorçage. Cette résistance additionnelle de ballastage peut être réalisée et contrée de multiples façons largement décrites dans les ouvrages de technologie de semiconducteurs. Par exemple, une diffusion périphérique d'un anneau de type N non connecté électriquement à CA i est un moyen pour contraler cette valeur de résistance de balla stage. La possibilité d'augmenter fortement localement cette résistance de ballastage permet en outre d'éviter les risques d'amorçage dans les zones présentant déjà par construction des facteurs potentiels d'inhomogénéité donc de faiblesse (coins des sillons par exemple). REVENDICATIONS i. Composant de protection bidirectionnel sans électrode de gâchette, constitué par une pastille semiconductrice incorporant deux thyristors tête-bêche juxtaposés (T 1 TH2), chaque thyristor comportant une région d'anode de type P (AN1, AN2), une région centrale de type N (CE 1, CE2) une région de gâchette de type P (GA1, GA2), et une région de cathode de type N (CA1, CA2), les régions centrales de type N des deux thyristors étant constituées par une même couche de substrat de type N, une métsllisation uniforme (ME 1, ME2) recouvrant sur chaque face la région d'anode et la région de cathode affleurant sur cette face, et un sillon périphérique passivé (SP1, SP2) étant creusé dans chaque face a la pénphérie de la pastille jusque dans la région centrale de type X, ce sillon entourant l'ensemble de la métallisation d'anode et de cathode de cette face, le dispositif comportant encore sur chaque face des trous de court-circuit (CCI, CC2) par lesquels la région de cette de type P remonte à travers la région de cathode de type N jusqu'à la métallisation qui la recouvre, caractérisé en ce qu'il est prévu, sur chaque face, un sillon médian passivé (SM1, SM2) creusé jusqu'à la région centrale de type N, ce sillon séparant complétement la région de cathode d'un thyristor de la région d'anode du thyristor adjacent, la jonction entre - la région de cathode et la région de gâchette d'un thyristor s'arrêtant sur une zone passivée sur le sillon médian ou au voisinage du sillon médian et ne remontant pas vers la métallisation de surface au voisinage du sillon, et les trous de court circuit étant répartis dans la région de cathode de manière à ne pas se trouver à proximité immédiate du sillon médian ou du sillon périphérique. 2. Composant selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une résistance intégrée additionnelle de ballas- tage à la périphérie entre la limite externe de la région de cathode (CAl, CA2) et les différents sillons.