Brevet FR2579024A1 — publié le 19860919

THYRISTOR DE PROTECTION SANS GACHETTE L'invention concerne les composants semiconducteurs et plus particulièrement les éléments de protection contre les surtensions. On a déjà proposé d'utiliser un thyristor sans électrode de gâchette, pour protéger des circuits contre des surtensions appa- raissant entre deux bornes du circuit; le thyristor est placé entre ces deux bornes; il est normalement bloqué mais devient passant si la tension à ses bornes dépasse un seuil déterminé; il dérive alors un courant important et empêche la destruction du circuit à protéger. Si le circuit doit être protégé contre des surtensions positives et négatives, un triac de protection, sans électrode de gâchette sera utilisé. La Demanderesse s'est aperçue que les thyristors ou triacs sans gâchette que l'on peut utiliser comme éléments de protection contre les surtensions doivent avoir des caractéristiques électriques différentes de celles que l'on exige de thyristors ou triacs utilisés dans d'autres applications et notamment dans la commutation com- mandée de courants. En particulier, les triacs de protection doivent être capables de supporter le passage de courants extrêmement élevés pendant des temps brefs (temps nécessaire à la disparition des surtensions); au contraire un triac en commutation commandée doit d'abord être capable de supporter la dissipation d'une puissance moyenne élevée avant d'être capable de dériver une puissance transitoire élevée. D'autre part, un triac de protection doit de préférence avoir un courant de maintien assez important; le courant de maintien est la valeur du courant qui passe dans le triac et au-dessous de laquelle le triac ne peut plus rester conducteur et se rebloque; au contraire, un triac utilisé en commutation commandée doit le plus souvent avoir un courant de maintien aussi faible que possible; en effet, le triac en commutation commandée est beaucoup mieux contrôlé s'il se bloque à un instant aussi proche que possible du passage à zéro du courant. Au contraire le triac de protection doit se bloquer rapi- dement après disparition de la surtension et surtout, si son courant de maintien était trop faible, il risquerait de rester conducteur même après un retour à une valeur normale de la tension entre les bornes du circuit à protéger (notamment lorsque ces bornes sont les bornes d'alimentation du circuit). Une structure classique de triac est représentée à la figure 1. Les épaisseurs de couches sont parfaitement arbitraires sur cette figure. La structure comporte, sur une même pastille semi- conductrice, deux thyristors (sans gâchette) juxtaposés THI et TH2 têtebêche. Chaque thyristor comprend la superposition de quatre couches alternées: une région d'anode de type P (ANI et AN2 respectivement); une région centrale de type N (CEI et CE2), mais en fait la région centrale est commune aux deux thyristors et est constituée par le substrat de départ de la pastille); une région de gâchette de type P (GAI, GA2); une région de cathode de type N (CAI, CA2); les surfaces supérieure et inférieure sont métallisées pour constituer une première électrode ME1 (cathode pour le thyristor TH1 et anode pour l'autre) et une deuxième électrode ME2 (anode pour le thyristor TH1 et cathode pour l'autre). Le pourtour de la pastille est en principe délimité sur chaque face par un sillon périphérique qui coupe la jonction entre la région centrale de type N et la région de type P adjacente à cette région du côté de la face considérée. Le sillon SPI sur la face supérieure est recouvert d'une couche de passivation PAl et le sillon SP2 sur l'autre face est recouvert d'une couche de passivation PA2 (verre). Des trous dits "court-circuits d'émetteur" CC1, CC2, peuvent être prévus: ce sont des remontées de la couche de gâchette (GAI, GA2) à travers la couche de cathode (CAI, CA2) jusqu'à la métallisation de surface (ME1, ME2). Les concentrations en impuretés dans les diverses régions superposées sont en principe symétriques pour les deux thyristors et ?9O24 on a représenté à la figure 2 un profil de concentration pour l'un des thyristors en partant d'une métallisation (MEI) jusqu'à l'autre (ME2). Le profil représenté et les valeurs numériques indiquées sur ce profil et précisées ci-dessous correspondent à un triac de protection à faible courant de maintien; autrement dit, en pratique on a représenté à la figure 2 le profil de concentration des couches d'un triac classique servant à la commutation commandée; c'est en effet en utilisant d'abord des triacs classiques non pourvus d'électrodes de gâchette qu'on a commencé à réaliser des triacs de protection. Sur ce profil on a désigné par: XJN: la profondeur de la jonction entre les région de cathode CA1 et la région de gâchette GA1 (profondeur par rapport à la métallisation MEI), XJP: la profondeur de la jonction entre la région de gâchette GAI et la couche centrale CEI (profondeur par rapport à la métallisation ME1), WB: la "largeur de base" du thyristor, c'est-à-dire la largeur de la région de gâchette entre la couche centrale CE1 et la région de cathode CA 1; WB est égal à XJP - X3N, CSB: la concentration maximale de type P dans la- région de gâchette, CSC: la concentration (en principe constante) dans la région centrale CE1. Pour un triac classique à courant de maintien assez bas, on aurait par exemple les profils de concentration typiques suivants: Profil 1: X3N = 15 microns XJP = 33 microns WB = 18 microns CSB = 2 à 5 1016 atomes/cm3 CSC = 1014 atomes/cm3 Profil 2: XJN = 15 microns XJP = 50 microns WB = 35 microns CSB = 2 à 5 x 1016 atomes/cm3 CSC = 1014 atomes/cm Les régions d'anode et de cathode ont des concentrations beaucoup plus élevées (au moins 5 x 10 8 atomes/cm3). Comme ces profils ne conduisent pas à des courants de maintien suffisants (à titre indicatif on peut souhaiter un courant de maintien de 150 mA) la solution normale qui vient à l'esprit est d'augmenter la largeur WB et la concentratiorr CSB de la région de gâchette GAI car cela diminue la résistivité de la région de gâchette. En effet le triac se bloque dès lors que les chutes de tension engendrées latéralement dans la région de gâchette descendent au- dessous de 0,5 volts environ. Si on veut que le triac se bloque au- dessous d'un courant de maintien donné, il faut que la chute de tension soit suffisamment faible pour ce courant. On réduit la chute de tension en augmentant la conductivité de la région de gâchette, donc sa concentration et sa largeur. On a ainsi été amené à essayer un profil typique suivant Profil 3 (fig.3) : X3N = 22 microns X3P = 42 microns WB = 20 microns CSB = 3 x 1017 atomes/cm On obtient effectivement grâce à ce changement des courants de maintien suffisants. Mais la Demanderesse s'est aperçue que la tenue à des surcharges de courant était insuffisante et surtout n'était pas proportionnelle à la surface de la pastille semiconductrice. En particulier, après des essais on s'est aperçu que pour obtenir seulement 30 % d'amélioration de tenue en courant dans certaines conditions, il fallait plus que doubler la surface de la pastille (alors que classiquement on considère qu'une pastille peut laisser passer un courant maximum proportionnel à sa surface). Plus précisément, avec une pastille ayant le profil 3 indiqué ci-dessus, on a mesuré le courant de destruction en présence d'une surintensité ayant les caractéristiques suivantes (ondes 8/20): temps de montée 8 microsecondes jusqu'au maximum de la surintensité puis décroissance exponentielle avec réduction de 50 % de l'intensité au bout de 20 microsecondes. Pour une pastille de 2,25 mm le courant de destruction était de 170 ampères; pour une pastille de 5,3 mm (+ 135 % par rapport à 2,25 mm) le courant de destruction étant de 220 ampères (+30 %). La présente invention propose une structure de thyristor ou triac de protection qui améliore considérablement la tenue en courant pour des surfaces importantes tout en conservant un courant de maintien aussi important que celui des triacs mentionnés ci- dessus (profil 3). Selon l'invention, la région de gâchette a de manière inat- tendue une épaisseur WB particulièrement faible (inférieure à 10 microns), et une concentration en impuretés de type P comprise entre 5 x 1016 et 5 x 1018 atomes par centimètre cube environ; la région centrale a quant à elle une concentration en impuretés de type N d'au moins 1016 atomes/cm3, inférieure à la concentration de la région de gâchette (fonction de la tension de retournement). Listes des figures - la figure I déjà décrite représente une structure de triac de protection, - les figures 2 et 3 déjà décrites représentent des profils de concentration de triacs classiques, - les figures 4 et 5 représentent des profils de concentration de thyristors ou triacs selon l'invention. On ne reviendra pas sur la description précédente des figures 1 et 2. Les figures 4 et 5 représentent les détails d'un profil de concentration typique selon l'invention. Le tableau ci-dessous reprend deux exemples de valeurs numé- riques correspondantes: Profil A (fig.4): XJN = 18 microns X3P = 27 microns WB = 9 microns 17 3 CSB = 6,5 x 1017 atomes/cm environ CSC = 3 x 1016 atomes/cm3 environ De plus, la largeur de la région CEI peut être d'environ 180 microns et celle de la région ANI de 30 microns environ. La concentration maximale des régions ANI et CAl est supérieure à 18 3 x 10 atomes/cm. Profil B (fig. 5): XJN = 33 microns X3P = 41 microns WB = 8 microns 16 3 CSB = 9,2 x 106 atomes/cm environ CSC = 5 x 1016 atomes/cm3 environ De plus la largeur de la couche centrale CEI est d'environ 160 microns et celle de la région ANI de 40 microns environ. La concentration maximale des régions ANI et CAl est encore supé- rieure à (5 x 1018 atomes/cm). Les essais effectués pour ces deux profils montrent qu'on obtient une amélioration considérable de la tenue en courant: pour une pastille de 2, 25 mm (profil 4) on a obtenu un courant de destruction de 300 ampères (onde 8/20) et pour une pastille de 5,3 mm (profil 5) un courant de destruction de 600 amperes. Le courant de maintien obtenu (supérieur à 150 milliampères) peut encore être augmenté en effectuant un dopage à l'or de la couche centrale CEI, CE2, dopage qui a pour effet de réduire la durée de vie des porteurs de cette couche. Une irradiation électronique peut aussi être utilisée pour effectuer cette réduction de durée de vie. REVENDICATIONS 1. Thyristor sans électrode de gâchette comprenant, dans un substrat semiconducteur, la superposition des quatre couches sui- vantes: une couche d'anode (ANI1, AN2) de type P fortement dopée, une couche centrale (CE1, CE2) de type N peu dopée, une couche de gâchette de type P moyennement dopée, et une couche de cathode de type N fortement dopée, caractérisé en ce que: - la région de gâchette a une épaisseur inférieure à 10 microns entre la couche de cathode et la couche centrale et une concen- tration en impuretés comprise- entre 5 x 1016 atomes/cm3 et 5x 1018 atomes/cm3 - - la couche centrale a une concentration en impureté d'au moins 1016 atomes/cm3. 2. Thyristor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche centrale est dopée avec des atomes tendant à réduire la durée de vie des porteurs de charges électriques dans cette couche, notamment des atomes d'or.