Brevet FR2585882A1 — publié le 19870206

TRIAC DESENSIBILISE VIS-A-VIS DES RISQUES DE REAMORCAGE A LA COMMUTATION SUR CHARGE REACTIVE L'invention concerne les triacs. Les triacs sont des composants semiconducteurs ayant deux électrodes principales et une électrode de commande (gâchette) cette dernière permettant de déclencher la mise en conduction du triac pour autoriser le passage de courant entre les électrodes principales. Lorsque le triac a été mis en conduction par une impulsion appropriée sur sa gâchette, il reste conducteur jusqu'à un passage par zéro du courant qui circule entre ses électrodes principales, puis il se bloque et ne doit en principe être rendu conducteur que lors d'une nouvelle impulsion de gâchette. Les passages par zéro du courant entre les électrodes princi- pales sont imposés par le circuit extérieur au triac. En particulier on utilise les triacs dans des circuits alimentés en énergie alternative, pour commander des charges qui peuvent être soit complètement résistives soit plus ou moins inductives ou capacitives. La commande de charges plus ou moins inductives est très fréquence puisqu'on la rencontre notamment dans la commande des moteurs. Lorsque la charge est inductive il y a un retard de phase entre le courant qui traverse la charge et la tension d'alimentation aux bornes de cette charge. Il en résulte qu'au moment du passage à zéro du courant dans le triac, la tension aux bornes de la charge est non nulle (alors qu'elle le serait avec une charge purement résistive). Non seulement cette tension n'est pas nulle mais elle peut être une fraction importante de la tension d'alimentation. Or lorsque le triac se bloque sous l'effet de l'annulation du 2 2585882 courant qui le traverse, il acquiert une impédance très élevée qui fait que la quasi-totalité de la tension d'alimentation va se retrouver brutalement aux bornes du triac et non plus aux bornes de la charge. Il y a donc à l'instant du blocage du triac une croissance très rapide de la tension aux bornes du triac, tension qui passe en un très court instant de zéro à une fraction importante de la tension d'alimentation. Il est connu que cette croissance très rapide peut provoquer un amorçage du triac, c'est-à-dire une remise en conduction intem- pestive (qui va durer jusqu'à la prochaine annulation du courant dans la charge). Cet amorçage, dit amorçage en dV/dt, est tout à fait indésirable puisqu'on souhaite que le triac ne soit remis en conduc- tion que par des impulsions de gâchette à des instants bien contrôlés. Ce phénomène est d'autant plus gênant que le réamorçage en dV/dt après une phase de conduction semble se produire pour une valeur de dV/dt (gradient de croissance temporelle de la tension) nettement plus faible que la valeur à laquelle le triac résisterait si on essayait de l'amorcer en dV/dt sans phase de conduction préalable. En présence d'une phase de conduction préalable, la résistance du composant à ce réamorçage indésirable est appelée "tenue en dV/dt à la commutation à l'ouverture". Il est donc souhaitable de réaliser des triacs qui soient peu sensibles à une remise en conduction par amorçage en dV/dt à la commutation. Cependant on souhaite que ces triacs soient sensibles à une commande par un faible courant de gâchette. Ces deux impératifs entraînent des contraintes de conception contradictoires, et ceci d'autant plus que l'on cherche en général à obtenir des triacs qui sont suffisamment sensibles quelles que soient les polarités des tensions aux bornes des différentes électrodes du triac. On rappelle à ce propos que le déclenchement d'un triac se fait selon quatre modes distincts qui sont les suivants, dans lesquels on prend comme référence de potentiel une électrode principale AI, et on examine le potentiel V2 de l'autre électrode principale A2 et le potentiel Vg de la gâchette G: - déclenchement dans le premier quadrant: V2 positif, Vg positif, - déclenchement dans le deuxième quadrant: V2 positif, Vg négatif, - déclenchement dans le troisième quadrant: V2 négatif, Vg négatif, - déclenchement dans le quatrième quadrant: V2 négatif, Vg positif. L'obtention d'une sensibilité suffisante au déclenchement par la gâchette dans ces quatre quadrants se traduit par des configu- rations particulières des diff érentes zones dopées et électrodes métalliques qui constituent la structure interne du triac. Les figures 1 à 3 représentent une configuration normale de triac à gâchette dite centrale. Pour expliquer cette structure on a représenté d'abord en figure I une coupe transversale de la structure, puis en figure 2 une vue de dessus montrant le découpage des zones dopées (zones mouchetées de type N ou non mouchetées de type P, entourées de traits fins) et le découpage des électrodes AI et G (zone hachurées et entourées de traits gras), et enfin en figure 3 une vue de dessous montrant également le découpage des zones dopées et l'électrode inférieure A2. Les régions semiconductrices dopées constituant le triac sont les régions NI, N2, N3, N4 de type N et PI, P2 de type P placées en sandwich. Sur les figures les régions N sont mouchetées pour les distinguer des régions P qui ne le sont pas. En particulier, sur les figures 2 et 3 on a représenté les découpages des zones N et P affleurant à la surface de la structure. La région N2 est une couche centrale s'étendant au milieu de toute la structure. La région PI recouvre toute la région N2 d'un côté (côté de la face supérieure). La région P2 recouvre toure la région N2 de l'autre côté (côté de la face inférieure). La région NI est formée à la surface de la région Pl mais en gros seulement dans la moitié de la structure (moitié gauche sur les figures); la région Ni affleure à la surface semiconductrice (face supérieure) là o elle existe. La région Pl affleure sur cette même surface là o il n'y a pas de région NI; en pratique, des petits trous CCI dits courts- circuits d'émetteur sont formés dans la région NI; ce sont des trous par lesquels la région PI remonte à la surface dans la zone o la région NI est généralement présente. La région N3 est formée à la surface de la région P2, en gros dans un peu plus de la moitié de la surface de la structure. La région N3 affleure à la surface (qui constitue la face inférieure) de la structure semiconductrice là o elle est présente. La région P2 affleure sur le reste de la face inférieure. Des trous de court-circuit d'émetteur CC3 sont répartis dans la majeure partie de la région N3, trous par lesquels la région P3 remonte à la surface dans la zone qui est globalement de type N. La région N4 est une petite région équivalente à la région Ni, formée dans la région PI et affleurant du même côté que la région NI mais localisée ailleurs et destinée à être recouverte par la métallisation de gâchette. Pour un triac à gâchette centrale la région N4 est au centre de la structure; pour un triac à gâchette en coin elle serait dans un coin. De plus, la région N4 est localisée dans les triacs classiques en regard d'une portion de région N3, et plus précisément en regard d'une portion de zone N3 qui ne comporte pas de trous de court-circuits CC3. La métallisation A2 recouvre la quasi totalité de la face arrière, c'està-dire la région N3 là o elle est présente et la région P2 sur le reste de la surface. La métallisation AI recouvre une grande partie de la face avant, le reste étant recouvert par la métallisation de gâchette G mais un intervalle étant évidemment prévu entre ces métallisations pour qu'il n'y ait pas de court-circuit entre elles. Plus précisément, la métallisation A1 recouvre la région NI (y compris d'ailleurs les trous de court-circuit CCI par o la région Pi remonte à la surface) sauf une petite bande qui est la portion du région NI la plus proche de la région N4. Elle recouvre également la région PI sauf une petite bande qui est la portion de région Pi la plus proche de la région N4. Enfin, la métallisation G recouvre essentiellement la région N4 sans déborder sur la région PI sauf dans une petite zone P'i de la région PI; cette petite zone P'i recouverte par la métallisation G, est une zone qui est placée à l'écart de la majeure partie de la région PI mais qui n'en est pas complètement séparée puisqu'elle lui est reliée par une bande étroite P"I de région PI qui n'est recouverte ni par la métallisation A1 ni par la métallisation G. Les figures 4 à 6, analogues aux figures 1 à 3, représentent la structure d'un triac à gâchette en coin. La description faite précé- demment reste valable et les références des zones N à P sont les mêmes. On fera attention que la figure 6 n'est pas véritablement une vue de dessous: c'est une vue de dessous inversée pour que les zones en regard se correspondent. En d'autres mots le coin en bas à droite de la figure 5 est la zone de gâchette qui est en regard du coin en bas à droite de la figure 5 (partie de zone N3 dépourvue de trous de court-circuit CC3). On peut aussi dire que la figure 6 représente la face inférieure de la structure vue par transparence dans la même direction que la figure 5 (vue de dessus). Les triacs représentés sur les figures I à 6 présentent des caractéristiques de tenue en dV/dt insuffisantes, et cela tout spécialement lors de l'application de fronts de tension abrupts après une phase de conduction du triac. Pour améliorer cette caractéristique de tenue en dV/dt à la commutation à l'ouverture, la présente invention propose un triac dont la constitution diffère de celles qui ont été décrites ci-dessus en ce que la région N3 s'éend sous une partie seulement de l'électrode de gâchette, la région P2 présentant une partie affleurant à la surface en regard d'une autre partie de l'électrode de gâchette. Plus précisément les endroits o la région P2 affleure sont situés à la fois sous la partie P'I de la région P1 et sous une partie de la région N4 (cette partie de la région N4 étant de préférence celle qui est plus éloignée de la région PI). La partie affleurante de la région P2 peut-être adjacente à la majeure partie de la région P2 ou alors consister en remontées ponctuelles de la région P2 à travers la région N3 (trous de court-circuit). Il en résulte une structure de triac telle que l'électrode de gâchette comporte trois zones, l'une étant à l'aplomb d'une superpo- sition de cinq régions de types de conductivité alternés (N4, PI, N2, P2, N3), une autre à l'aplomb d'une superposition de quatre régions de types de conductivité alternés (N4, P1, N2, P2) et la troisième à l'aplomb d'une superposition de trois régions de types de conduc- tivité alternés (P'l, N2, P2). Une définition détaillée de l'invention serait aussi la suivante: le triac comprend une structure semiconductrice pourvue d'une face supérieure recouverte d'une première électrode principale et d'une électrode de gâchette, et d'une face inférieure recouverte d'une seconde électrode principale, la structure comportant: - une couche centrale de type N (N2), - une première couche de type P (P1) recouvrant la couche centrale du côté de la face supérieure, - une seconde couche de type P (P2) recouvrant la couche centrale du côté de la face inférieure, - une première région de type N (NI) formée dans une partie de la première couche de type P et affleurant sur la face supérieure dans cette partie alors que la première couche de type P affleure sur le reste de la face supérieure, la première région de type N étant par ailleurs percée de petits trous dits courts-circuits d'émetteur (CCI) par o la première couche Pi de type P remonte et affleure sur la face supérieure, - une seconde région de type N (N4) formée dans une autre 7 2585882 partie de la première couche de type P et affleurant sur la face supérieure dans cette autre partie, - une troisième région de type N (N3) formée dans une partie de la deuxième couche (P2) de type P et affleurant sur la face inférieure dans cette partie alors que la deuxième couche de type P affleure sur le reste de la face inférieure, la troisième région de type N étant par ailleurs percée de petits trous dits court-circuits d'émetteur (CC3) par lesquels la deuxième couche de type P affleure sur la face inférieure, - la première électrode principale (AI) recouvrant la quasi totalité de la première région de type N, y compris les trous de court-circuit de cette première région, et recouvrant une majeure partie affleurante de la premiere couche de type P, mais ne recouvrant pas la première région de type N et la première couche de type P au voisinage immédiat de la deuxième région de type N (N4); - l'électrode de gâchette recouvrant la quasi totalité de la deuxième région de type N (N4) ainsi qu'une petite partie (P'1) affleurante de la première couche de type P, cette petite -partie étant espacée de la majeure partie affleurante de la première couche de type P et étant reliée à cette majeure partie par une portion étroite affleurante de la première couche de type P, cette portion étroite entourant la deuxième région de type N et n'étant pas recouverte par une électrode; - dans cette structure, on prévoit que l'électrode de gâchette est partiellement à l'aplomb d'une partie affleurante de la deuxième couche (P2) de type P et partiellement à l'aplomb d'une partie de la troisième région (N3) de type N. En particulier on prévoira que cette partie affleurante de la deuxième couche de type P s'étend au-dessous de la petite partie (P'I) affleurante de la premiere couche de type P, partie dont on rappelle qu'elle est recouverte par l'électrode de gâchette. On prévoira aussi de préférence qu'une partie de troisième régiion de type N qui est à l'aplomb de l'électrode de gâchette n'est pas percée de trous de court-circuit alors que des trous de court- circuit sont répartis dans le reste de la troisième région. Les figures I à 6 ayant déjà été décrites il n'y a pas à revenir dessus. La figure 7 représente une vue de la face inférieure d'un triac selon l'invention (gâchette centrale). La figure 8 représente une vue de la face inférieure d'un triac selon l'invention (à gâchette en coin). La figure 9 représente une coupe d'un triac selon l'invention. La figure 10 représente une vue de la face inférieure d'un autre mode de réalisation (gâchette centrale). La figure 11 représente une vue de la face inférieure d'un autre mode de réalisation (gâchette en coin). La figure 12 représente une coupe d'un triac selon l'autre mode de réalisation (gâchette centrale). Les figures 7 et 8 sont équivalentes aux figures 3 et 6 respectivement (vues de dessous avec inversion ou vues de dessus par transparence). La figure 7 correspond au triac dont la vue de dessus est celle de la figure 2. La figure 8 correspond au triac dont la vue de dessus est celle de la figure 5. Les échelles des dessins sont les memes. Elles montrent clairement les délimitations des zones P2 et N3 qui constituent l'invention. Sur la figure 7 on voit que les surfaces des régions P2 et N3 affleurantes sont pratiquement identiques, la délimitation de ces zones se faisant par une ligne qui passe à l'aplomb du centre de l'électrode de gâchette. En superposant les figures 2 et 7, on voit clairement que l'électrode de gâchette G comporte une moitié ou sensiblement une moitié à l'aplomb de la région P2 et une moitié à l'aplomb de la région N3 et plus précisément à l'aplomb d'une portion de région N3 dépourvue de court-circuits d'émetteur. La région P'l en contact avec l'électrode de gâchette est à l'aplomb de la région P2. En pratique, on voit qu'également une partie de la région N4 (celle qui est la plus proche de la région NI) et une partie P"1 de la région PI (portion affleurante étroite entourant la région N4, non recouverte par une électrode, et reliant la partie P'1 à la majeure partie affleurante de la région PI) sont également à l'aplomb de la région P2. Les mêmes remarques s'appliquent au cas du triac à gâchette en coin, ce que l'on peut observer en superposant les figures 5 et 8. Toutefois, dans la configuration dessinée, la portion affleu- rante étroite P"1 de type P (reliant la petite zone P'1 à la majeure partie affleurante de la couche Pl) est en partie à l'aplomb de la région N3, de même d'ailleurs qu'une bande de région N4 qui est immédiatement adjacente à cette portion étroite. La figure 9 montre pour compléter la représentation une coupe de triac selon l'invention (ici le triac à gâchette centrale de la figure 2; la figure 9 est donc à comparer à la figure 1), cette coupe étant faite à travers la gâchette selon une ligne brisée CC visible sur la figure 7. Cette ligne brisée CC est choisie de manière à montrer les différentes superpositions de régions que l'on trouve à l'aplomb de la gâchette. On constate que l'électrode de gachette G comprend une partie à l'aplomb d'une superposition de cinq couches de types de conductivité alternés (N4, Pl, N2, P2, N3), une autre partie à l'aplomb d'une superposition de quatre couches de types de conduc- tivité alternés (N4, Pl, N2, P2), et enfin une partie à l'aplomb d'une superposition de trois couches (P'1, N2, P2). En ce qui concerne la partie à l'aplomb des cinq couches, il faut préciser que la couche inférieure (N3) est une couche continue, c'est-à-dire non pourvue de trous de court-circuit. L'expérience montre que les triacs ainsi constitués se comportent particulièrement bien en ce qui concerne la résistance à l'amorçage en dV/dt à la commutation et cela sans affecter de manière signification la sensibilité au déclenchement par un courant de gâachette dans les quadrants 1, 11, III. Il est souhaitable de prévoir pour ce type de triac des circuits de commande imposant le déclenchement exclusivement dans les quadrants 1, Il, et III, ce qui ne pose d'ailleurs pas de problème particulier puisque le déclenchement à l'aide de la tension du réseau alternatif peut se faire dans les quadrants I et III tandis qu'un déclenchement par un circuit intégré de commande peut se faire dans les quadrants Il et III. Les figures 10, Il et 12 analogues respectivement aux figures 7, 8 et 9 et affectées des mêmes références représentent un mode de réalisation différent dans lequel la région P2 affleure à la surface à l'aplomb de l'électrode de gâchette G non pas sous forme d'une extension de la majeure partie affleurante de la région P2 mais sous forme de trous de court-circuits CC2 par lesquels la région P2 remonte à la surface à travers la région N3. Ces trous CC2 sont régulièrement répartis à l'endroit o se situaient l'extension de la région P2 aux figures 7 à 9; plus précisément l'électrode de gâchette G comporte une première moitié ou sensiblement une moitié qui est à l'aplomb d'une portion de région N3 percée de trous de court-circuit CC2, et une deuxième moitié à l'aplomb d'une autre portion de région N3 non percée de trous de court-circuit. La première moitié est celle qui recouvre la région P'1 et la portion de région N4 la plus éloignée de la région P1. La deuxième moitié est la plus proche de la région PI. Comme les figures 7 et 8, les figures 10 et 11 sont respec- tivement à superposer aux figures 2 et 5. La figure 12 est une coupe de la figure 10 à travers la ligne D-D. REVENDICATIONS 1. Triac comprenant une structure semiconductrice pourvue d'une face supérieure recouverte d'une première électrode principale et d'une électrode de gachette, et d'une face inférieure recouverte d'une seconde électrode principale, la structure comportant: - une couche centrale de type N (N2), - une première couche de type P (PI) recouvrant la couche centrale du côté de la face supérieure, - une seconde couche de type P (P2) recouvrant la couche centrale du côté de la face inférieure, - une première région de type N (NI) formée dans une partie de la première couche de type P et affleurant sur la face supérieure dans cette partie alors que la première couche de type P affleure sur le reste de la face supérieure, la première région de type N étant par ailleurs percée de petits trous dits courts-circuits d'émetteur (CCI) par o la première couche remonte et affleure sur la face supérieure, - une seconde région de type N (N4) formée dans une autre partie de la première couche de type P et affleurant sur la face supérieure dans cette autre partie, - une troisième région de type N (N3) formée dans une partie de la deuxième couche (P2) de type P et affleurant sur la face inférieure dans cette partie alors que la deuxième couche de type P affleure sur le reste de la face inférieure, la troisième région de type N étant par ailleurs percée de petits trous dits court-circuits d'émetteur (CC3) par lesquels la deuxième couche de type P affleure sur la face inférieure, - la première électrode principale (AI) recouvrant la quasi totalité de la première région de type N, y compris les trous de court-circuit de cette première région, et recouvrant une majeure partie affleurante de la premiere couche de type P, mais ne 12 2585882 recouvrant pas la première région de type N et la première couche de type P au voisinage immédiat de la deuxième région de type N (N4); l'électrode de gâchette recouvrant la quasi totalité de la deuxième région de type N (N4) ainsi qu'une petite partie (P'1) affleurante de la première couche de type P, cette petite partie étant espacée de la majeure partie affleurante de la première couche de type P et étant reliée à cette majeure partie par une portion étroite affleurante de la première couche de type P, cette portion étroite entourant la deuxième région de type N et n'étant pas recouverte par une électrode; - ce triac étant caractérisé en ce que l'électrode de gâchette est partiellement à l'aplomb d'une partie affleurante de la deuxième couche (P2) de type P et partiellement à l'aplomb d'une partie de la troisième région (N3) de type N. 2. Triac selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie affleurante de la deuxième couche (P2) de type P s'étend au- dessous de la petite partie (P'I) affleurante de la première couche (PI) de type P qui est recouverte par l'électrode de gâchette. 3. Triac selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la partie de troisième région (N3) de type N qui est à l'aplomb de l'électrode de gâchette n'est pas percée de trous de court-circuit alors que des trous de court-circuit (CC3) sont répartis dans le reste de la troisième région. 4. Triac selon la revendication I caractérisé en ce que la partie affleurante de la deuxième couche (P2) de type P qui est à l'aplomb de l'électrode de gâchette est constituée par des trous de court-circuit (CC2) par lesquels la deuxième couche (P2) de type P remonte à la face inférieure à travers la troisième région de type N (N3), l'électrode de gâchette étant par ailleurs partiellement à l'aplomb d'une partie de la troisième région non percée de trous de court-circuit. 5. Triac selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie d'électrode de gâchette (G) à l'aplomb de la partie de troisième région (N3) non percée de trous de court-circuit est la plus proche de la majeure partie affleurante de la première couche (PI) de type P, tandis que la partie d'électrode de gâchette à l'aplomb de trous de court-circuit (CC2) est la plus éloignée de la majeure partie affleurante de la première couche (PI) de type P. 6. Triac comportant une structure semiconductrice comportant des superpositions de régions de types de conductivité alternés, caractérisé en ce que l'électrode de gâchette comporte trois parties, l'une à l'aplomb d'une superposition de cinq régions alternées (N4, PI, N2, P2, N3), une autre à l'aplomb d'une superpo- sition de quatre régions alternées (N4, Pl, N2, P2), et une troisième à l'aplomb d'une superposition de trois régions de types de conducti- vité alternés (P'I, N2, P2). 7. Triac selon la revendication 6, caractérisé en ce que la région inférieure de la superposition de cinq couches n'est pas percée de trous de court-circuit à l'aplomb de l'électrode de gâchette alors qu'elle est percée de trous de court-circuit ailleurs qu'à l'aplomb de l'électrode de gâchette. 8. Triac selon la revendication 6, caractérisé en ce que la région inférieure de la superposition de cinq couches est percée de trous de court-circuit (CC2) qui en font localement une superposition de quatre couches seulement, ces trous de court-circuit étant prévus à l'aplomb d'une partie seulement de l'électrode de gâchette.