Brevet FR2574604A1 — publié le 19860613

ELEMENT DE PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS La présente invention concerne les dispositifs de protection de circuits électriques contre les surtensions. On utilise couramment plusieurs types de dispositif s de protection électronique à deux bornes, que l'on place simplement en parallèle entre deux bornes d'entrée ou deux bornes d'alimentation d'un circuit, pour le protéger contre des surtensions apparaissant entre ces bornes. Le dispositif le plus anciennement utilisé est une diode zener. Il a l'inconvénient majeur de dissiper une énergie élevée car, s'il écrête la tension au moment de l'apparition d'une surtension, ildérive le surplus de courant engendré par cette surtension sans faire chuter la tension à ses bornes. De plus, la qualité de l'é=crêtage n'est pas parfaite car la tension aux bornes de la diode zener croît légèrement avec le courant qui la parcourt (résistance dynamique faible mais encore positive lorsqu'on dépasse la tension nominale d'écrêtage de la diode zener). On a utilisé plus récemment comme dispositif de protection des diodes de Schockley (structure PNPN) ou même des triacs sans gâchette. Lorsqu'on augmente la tension entre les bornes de tels dispositifs, il existe un seuil au delà duquel le dispositif passe brutalement d'un état bloqué à un état conducteur. Dans l'état conducteur, la tension aux bornes chute considérablement, ce qui n'est pas le cas de la diode zener. La dissipation d'énergie est donc beaucoup plus faible. Malheureusement, le seuil de tension est normalement assez élevé (de l'ordre d'une ou plusieurs centaines de volts); on ne peut pas s'en servir pour protéger un circuit en écrêtant des surtensions de 10 à 30 volts par exemple. Des triacs à plus faible tension d'amorçage exigeraient des procédés de fabrication déiicats et coûteux.De plus, l'amorçage du triac ou de la diode de Schockley par franchissement d'un seuil de tension entre ses bornes est un amorçage peu homogène: le claquage se fait d'abord en surface à la périphérie de la pastille semiconductrice et ne s'étend que progressivement à l'intérieur de celle-ci. Il en résulte donc des risques de dégradation prématurée du dispositif. Pour éviter ces inconvénients et proposer un dispositif de protection simple et peu coûteux, notamment pour la protection contre des surtensions de valeur moyenne (quelques dizaines de volts), la présente invention propose un dispositif semiconducteur à deux bornes de sortie, caractérisé en ce qu'il comporte l'association d'une structure PNPN (thyristor ou triac) avec deux électrodes principales et une gâchette de déclenchement, et d'une structure tricouche alternée à deux électrodes principales reliées respectivement l'une à une première électrode principale de la structure PNPN et l'autre à la gâchette de la structure PNPN, la structure tricouche présentant un seuil de passage d'un état conducteur bloqué à un état à faible résistance dynamique négative pour une première valeur de tension entre ses électrodes principales, et là structure PNPN présentant un seuil de mise en conduction en l'absence de courant de gâchette pour une deuxième valeur de tension, supérieure à la première valeur, entre ses électrodes principales. En deçà de la première valeur de tension, la structure PNPN se comporte comme un thyristor (ou triac) bloqué. Au delà de cette première valeur, la structure tricouche conduit brusquement un courant important, à cause du seuil avec passage à une résistance dynamique négative (très bon écr & age). Ce courant circule dans la gâchette du thyristor ou triac et déclenche sa mise en conduction, faisant chuter la tension entre ses électrodes principales. Les électrodes principales du thyristor ou du triac constituent les deux bornes extérieures du dispositif de protection. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 représente le schéma de principe du dispositif de protection selon l'invention, - la figure 2 représente la caractéristique électrique d'un diac, - la figure 3 représente la -caractéristique électrique d'un triac, - la figure 4 représente la caractéristique électrique du dispositif de protection selon l'invention, - la figure 5 rappelle pour mémoire la structure serniconductrice d'un diac NPN. Selon l'invention, le dispositif de protection comprend deux bornes extérieures-seulement, A et B, un thyristor ou un triac 10 et un dispositif tricouche 12 à deux bornes présentant une résistance dynamique négative immédiatement au delà d'un certain seuil de tension appliqué entre ses bornes. Le dispositif tricouche est connecté entre la gâchette G du thyristor ou du triac 10 et la borne B. Les électrodes principales du thyristor ou du triac sont reliées aux bornes A et B. L'électrode principale du thyristor ou du triac située du même côté que la gâchette est reliée à la borne A. Ce dispositif de protection est destiné à être connecté tel quel entre deux bornes d'entrée ou d'alimentation d'un circuit électrique à protéger contre des surtensions.Dans la suite,-on considèrera qu'on utilise un triac, plutôt qu'un thyristor, pour bénéficier d'une protection contre des surtensions négatives aussi bien que positives. Le dispositif tricouche 12 à résistance dynamique négative est constitué par un -diac (structure symétrique NPN ou PNP correspondant à un transistor sans électrode de base, couramment utilisée pour commander les triacs dans les variateurs de puissance). La caractéristique électrique tension-courant du diac supposé seul est représentée à la figure 2. Elle est autant que possible symétrique. Lorsque la tension entre les bornes du diac croît en valeur absolue à partir de zéro, le courant qui parcourt le diac n'est qu'un faible courant de fuite dont la valeur maximale est If. Lorsqu'elle atteint un seuil Vd, le courant croît brusquement à une valeur importante Id; la tension aux bornes du diac peut diminuer légèrement. La mise en conduction très rapide est due au coude à angle aigu formé par la caractéristique tension-courant du diac (résistance dynamique négative immédiatement après ce coude). Ce - qu'il faut noter, c'est d'abord qu'on sait bien réaliser des diacs dont la tension de seui Vd est de quelques dizaines de volts ou moins, et ensuite que le diac peut laisser passer, après franchissement de ce seuil, une courant Id tout à fait suffisant pour déclencher, s'il passe dans la gâchette G, le triac 10. La caractéristique tension-courant du triac 10 est parfaitement classique (figure 3); elle présente un seuil de déclenchement (seuil de tension au delà duquel le triac passe brusquement d'un état bloqué à un état conducteur) dont la position dépend du courant de gâchette. Selon l'invention, on choisit le triac de telle sorte que a) sa tension de déclenchement ait une valeur Vr1 largement supérieure à Vd pour un courant de gâchette égal au courant de fuite If du diac (c'est-à-dire pratiquement une tension de déclenchement Vrl en gâchette ouverte largement supérieure à Vd); b) sa tension de déclenchement ait une valeur Vr2 largement inférieure à Vd pour un courant de gâchette Id, où Id est le courant très rapidement atteint dans le diac lorsque l'on dépasse entre ses bornes la tension Vd; c) le courant de déclenchement du triac pour une tension Vd aux bornes du triac doit évidemment être compatible avec le courant maximum admissible dans le diac. Les composants, diac et triac, actuellement fabriqués et commercialisés ont des'gammes de carartéristiques très bien maitrisées et reproductibles, et il est facile de choisir un diac et un triac ayant les caractéristiques désirées en fonction des impératifs ci-dessus. La caractéristique globale de l'ensemble composite (diac + triac) à deux bornes est représentée à la figure 4. Cette caractéristique est symétrique dans la- mesure où les caractéristiques du diac et du triac sont elles-mernes symétriques. Lorsque la tension appliquée au triac croît en valeur absolue de 0 à une valeur Vd, le dispositif est bloqué et ne laisse passser qu'un faible courant de fuite à travers le diac et le triac dont on peut considérer qu'ils sont sensiblement en parallèle. Lorsque la tension atteint Vd, le diac passe en conduction très rapidement en suivant la zone à résistance dynamique négative. Le courant entre les bornes A et B est pratiquement égal au courant dans le diac. Lorsque ce courant atteint une valeur lb capable de déclencher le triac (ayant à ses bornes sensiblement la même tension que le diac, c'est-à-dire sensiblement Vd), le triac devient brusquement conducteur ; la tension à ses bornes chute à une valeur très faible et le courant qui le parcourt peut croître très largement. La caractéristique de la figure 4 montre clairement que le coude correspondant au déclenchement (Vd) est extrêmement franc (coude à angle aigu) et assure donc une protection très efficace contre toute surtension. La puissance dissipée est la même que celle d'un triac seul. L'amorçage du triac est bien meilleur (plus homogène) que celui d'un triac utilisé seul car il se fait par l'intermédiaire d'une gâchette et non par un claquage superficiel initial d'une jonction polarisée en inverse. Enfin, le choix de la tension de seuil est lié essentiellement aux caractéristiques du diac, le triac n'ayant quant à lui qu'à vérifier les contraintes suivantes: - il doit supporter. les courants susceptibles de le traverser puisque c'est lui qui sert à évacuer le courant lorsqu'il assure la fonction de protection, - il ne doit pas se déclencher en gâchette ouverte s'il a la tension Vd à ses bornes, - il doit se déclencher lorsque simultanément la tension Vd est présente à ses bornes et le diac est rendu conducteur. La tension de déclenchement Vd peut être de quelques dizaines de volts ou moins sans difficulté. Pour mémoire, on a représenté sur la figure 5 la structure semiconductrice d'un diac et le profil des concentrations en impu retés à travers l'épaisseur de la structure. Le substrat de base 20 est en silicium dopé de type P (dopage par exemple correspondant à une résistivité comprise entre 4 et 200 ohms.cm). L'épaisseur peut être de 160 a 180 microns. La base de type P comprend d'une part une région centrale de faible dopage correspondant à la résistivité ci-dessus, d'autre part des régions surdopées 22 et 24 de chaque côté (dopage pouvant être de 1016 à 1017 atomes par centimètre cube, selon la tension de seuil désirée pour le diac). Les régions N+ 26 et 28 de part et d'autre de la base sont plus fortement dopées. En pratique, le profil de concentration des régions surdopées 22 et 24 est décroissant vers l'intérieur du substrat (régions formées par diffusion superficielle) de sorte que la tension de seuil du diac (Vd) dépend directement de la profondeur de diffusion des régions N+ 26 et 28 à l'intérieur des régions 22 et 24. Des métallisations 30, 32 recouvrent ces régions N+. L'élément de protection à deux bornes A et B peut être réalisé à l'aide de deux pastilles semiconductrices montées dans deux boîtiers différents ou dans un même boîtier, ou encore à l'aide d'une seule pastille intégrant à la fois le diac et le triac. REVENDICATIONS 1. Elément de protection à deux bornes de sortie (A et B), pour la protection de circuits contre les surtensions, caractérisé en ce qu'il comporte l'association d'une structure PNPN (thyristor ou triac) avec deux électrodes principales et une gâchette, et d'une structure tricouche alternée à deux électrodes principales reliées respectivement l'une à une électrode principale de la structure PNPN et l'autre à la gâchette de la structure PNPN, la structure tricouche présentant un seuil de passage à une résistance dynamique négative pour une première valeur de tension (Vd) entre ses électrodes principales, et la structure PNPN présentant un seuil de mise en conduction en l'absence de courant de gâchette pour une deuxième valeur (Vrl) de tension, supérieure à la première valeur, entre ses électrodes principåles. 2. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure tricouche est reliée entre la gâchette et l'électrode principale de la structure PNPN qui est située du côté opposé à la gâchette.