Brevet FR2589006A1 — publié le 19870424

La présente invention concerne un circuit de commande par voie optique pour une structure com- mandée à électrode de déclenchement isolée. Par "structure commandée à électrode de déclenchement isolée", on entendra toute structure semiconductrice dont l'électrode de déclenchement est réalisée sous la forme d'une grille d'élément MOS ou MIS (par la suite, on emploiera le terme MOS dans son sens le plus général, c'est-à-dire pour désigner des éléments dont l'isolant n'est pas nécessairement sous forme d'un oxyde, mais peut être par exemple le ni- trure de silicium, qui est couramment utilisé en variante de l'oxyde de silicium ou de l'oxyde d'alu- minium). Cette définition s'applique notamment aux éléments suivants: thyristor MOS (thyristor à gachette isolée), dont l'électrode de commande s'apparente à une capacité MOS et ne nécessite donc qu'une faible puissance de commande, comparativement à celle requise pour un thyristor classique, structure MOS bipolaire à réaction, par exemple du type dit "IGT" ou "COMFET", de structure similaire au thyristor MOS classique, mais avec un dopage diffé- rent pour avoir une intensité de déclenchement de valeur élevée, MOS classique, sous ses différents formes (MOS, V MOS, NMOS,...). La technique antérieure a déjà proposé de commander par voie optique des structures à électrode de déclenchement isolée, grâce à une photodiode placée en dérivation entre la grille et la source de l'élé- ment MOS de commande: l'illumination de la photodiode polarise positivement la grille du MOS par rapport à sa source, permettant le passage du courant de drain lorsque la tension grille-source atteint une valeur prédéterminée. De tels circuits commandés par voie optique sont par exemple décrits dans les FR-A-2 463 543, US-A-4 423 330, et US-A-4 495 421. L'intérêt principal de la commande optique réside dans l'isolement galvanique total entre le cir- cuit commandé et le circuit de commande, du fait du couplage optoélectronique. Néanmoins, ces circuits nécessitent géné- ralement une énergie importante pour assurer le dé- clenchement du MOS, de sorte qu'il est nécessaire de prévoir soit une mise en série de plusieurs photo- diodes (comme proposé par le FR-A-2 463 543), soit une énergie lumineuse importante, ce qui exclut l'utilisa- tion d'un tel mode de commande pour des circuits à faible consommation, notamment les opto-coupleurs intégrés dans lesquels l'énergie lumineuse d'excitation des photodiodes est produite par une diode électro- luminescente elle-même directement alimentée par des circuits logiques de commande. Si, en revanche, on essaie d'accroître la sensibilité du MOS, l'ensemble devient très sensible aux parasites, ce qui peut amener à des déclenchements - intempestifs ou des erreurs de transmission dans des circuits logiques placés en aval. L'invention propose un circuit de commande qui permette d'échapper à ce dilemme, procurant à la fois une très grande sensibilité (faible énergie op- tique pour le déclenchement) et une très grande immu- nité aux parasites électriques. - f -: 0 ' _g- 0 2589006 --3 Asi, si par exemple on-applique l'invention : la commande d'une structure MOS bipolaire, par - exemple d'un thyristor';MOS,-:il-sera possible d'obtenir la commutation d'un-courant de plusieurs amperèes grâce à une énergie optique de seulement quelques micro- joules, avec un photocourant de l'ordre de i mA ou moins..: : . - -A -cet effet, le circuit de-commande de l'invention comprend une photodiode en série avec le canal d'un MOS (MOS auxiliaire) dont la grille est portée -un potentiel constant, le-point milieu de ce circuit série étant relié a!'électrode de déclenche- ment de la structure-commandée, et le courant de saturation du.-MOS étantajusté à une valeur supérieure au courant d'obscurité de la photodiode et inférieure au photocourant correspondant au- seuil de déclenche- ment de la structure commandée.; Cette disposition,, dans laquelle la photo- diode est en série'avec le canal du MOS - à la différence de fa technique antérieure: dans laquelle la photodiode-étgit en dérivation entre-la grille et la source:-permet en effet de puiser-le potentiel de déclenchement dans le réseau à commander lui-même, et non plus à partir du seul photocourant, ceci grace au MOS qui introduit un élément non linéaire dans le circuit de commande. - Avantageusement, le. MOS est.un MOS à déplé- tion dont la grille- et la source sont mises en- court-circuit': ceci évite de polariser la grille, celle-ci étant simplement portée au potentiel de réfé- - rence, grille et source étant reliées à la masse. On sait en-effet que, pour un MOS à déplétion (à appau- vrissement), lorsque la-grille n:'est pas polarisée, le courant de drain est maximal; alors que, dans un MOS à enrichissement, le courant de drain maximal correspond à une tension de grille elle-même maximale. L'invention concerne également un circuit comportant une structure commandée à électrode de déclenchement isolée et un circuit de commande pré- sentant les caractéristiques énoncées plus haut. De préférence, dans ce cas, la structure commandée et le circuit de conmande sont réalisés sous forme d'un composant semiconducteur monolithique. En effet, une réalisation en composants discrets serait possible pour des tensions de l'ordre de la centaine de volts, mais deviendrait impossible ou très difficilement réalisable - pour des tensions élevées, par exemple des tensions de l'ordre de 1400 volts, ce que permet précisément lUinvention lorsque le circuit de commande et la structure com- mandée sont réalisés sous forme monolithique. Dans un mode de réalisation de l'invention, non limitatif, la structure commandée est un thyris- tor MOS; dans ce cas, le tayristor MOS est formé sur une région périphérique du composant, entourant le MOS et la photodiode, formés sur une région centrale. Pour des fonctionnements en très haute tension, cet arrangement permet, lorsque le thyristor est'à l'état bloqué, un auto-blindage des circuits de déclenchement (MOS et photodiode, sur la région centrale) par les circuits haute tension périphériques. Dans un mode de réalisation particulier, la région centrale est en forme de T, le MOS étant formé sur la branche axiale du T, et la photodiode étant formée sur la branche transversale de celui-ci. D'autres configurations sont cependant envisageables, bien que plus complexes à réaliser, par exemple des structures interdigitées ou des structures arborescentes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la descrip- tion détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: 5. la figure 1 montre le circuit de déclenche- ment de l'invention, dans sa forme la plus schéma- tique, pour une structure commandée de type N, la figure 2 est homologue de la figure 1, pour une structure commandée de type P, 10. la figure 3 montre une application à la commande d'un MOS canal N par le circuit de l'inven- tion, dans lequel le MOS est un MOS à déplétion, la figure 4 est homologue de la figure 3, pour la commande d'un MOS canal P, 15. la figure 5 montre la commande d'un thyris- tor MOS à canal N par le circuit de l'invention, dans lequel le MOS est un MOS à déplétion, la figure 6 est homologue de la figure 5, pour la commande d'un thyristor MOS à canal P, 20. la figure 7 est le schéma électrique équi- valent au circuit de la figure 5, la figure 8 montre l'implantation des différents éléments d'un semiconducteur monolithique correspondant au schéma de la figure 7, 25.la figure 9 est une vue de dessus d'un mode de réalisation particulier du circuit de la figure 7, la figure 10 est une coupe, selon la ligne X-X de la figure 9. Les figures 1 et 2 illustrent le circuit de commande de l'invention dans son aspect le plus schématique. Il s'agit de déclencher une structure commandée SC dont l'électrode de déclenchement est une grille de MOS G', ce MOS pouvant être soit de type canal N (figure 1), sensible à une tension de grille positive par rapport à la source, ou bien de type canal P (figure 2), sensible à une tension de grille négative par rapport à la source. Le circuit de commande comprend une photo- diode PD, polarisée en inverse, disposée en série avec un transistor MOS TM dont la grille G est portée à un potentiel fixe prédéterminé; le point milieu X de ce circuit est relié à l'électrode de déclenchement G' de la structure commandée. Dans le cas de la figure 1, le point chaud de cet ensemble série photodiode-transistor MOS est relié à une source de tension positive, le point froid M étant relie au potentiel de référence, c'est-à-dire à la masse. Par ailleurs, le transistor MOS est un transistor de type canal N. Dans le cas de la figure 2, le point chaud est porté à une tension négative V-, et le transistor MOS est du type canal P. Le fonctionnement est le suivant:en l'absence d'éclairement, le point de fonctionnement du transistor MOS TM se trouve dans la zone linéaire de la caractéristique Ids/Vgs. Ce transistor est conçu ou choisi de telle sorte que la tension entre le point X et la masse (c'est-à-dire la tension drain-source) reste inférieure à la tension de seuil de la structure commandée SC. En outre et surtout, le courant de saturation du transistor MOS TM est choisi de telle façon qu'il soit supérieur au courant d'obscurité de la photodiode, tout en étant inférieur au photocourant généré lorsque la diode est illuminée. Ainsi, en l'absence d'éclairement, le transistor MOS se comporte comme un court-circuit 7 - résistif, de sorte qu aucun courant:- ou seulement une fraction infime-du courant dt obscurité n'est dérivé au point X vers l'électrode G', puisque l'impédance d'entrée=de la structure commandée est très supé- rieure (du fait de sa commande par électrode-MOS) à celle du canal du transistor MOS T14 en conduction. Lors -de 1 'illumination- de la photodiode, un photocourant Ip va traverser la photodiode PD mais., p comme sa valeur est superieure au courant de saturation du transistor MOS TM, ce dernier ne va plus pouvoir absorber Ia totalité du courant génré. Dès lors, ce dernier va se diviser au point X en un courant I qui va charger la capacité d'entrée du composant MOS de la structure commandée SC d'une part, et en ui courant traversant le canal du tranistor MOS TM, égal au courant de saturation iT de ceiui-ci d'autre part. Dela sorte, la capacité grille-source de l élément M5OS de la structure de comnande va se charger, et la tension sur Vélectrode Ge va par consequent. croitre; lorsquelle dsvlencra superieure à la tension de seuil de la structure commandeSC le- déclenchement de celle-civa être obtenu. - Les figures 3 à 6 montrent différentes applications sur la-figure 3, la structure commandée SC est-un simple transistor,OS canal N a enrichisse- ment, sur la figure 4 un transistor MOS canal P à enrichissement, sur-la figure 5 un thy-ristor 'MOS à canal N et sur la -figure 6 un thyristor MO4S à canal P. On notera que, dans les applications des figures 3 à 6: le transistor M.OS-TMi des figures 1 et 2 est un transistor--MOS à déplétion MD dont la grille et la source sont court-circuitées et reliées au potentiel de référence ceci évite d'avoir à polariser la grille-de ce transistor MOS, puisqu'un MOS à déplé- tion présente un courant de drain maximum pour une tension de grille nulle, ce courant diminuant au fur et à mesure que la tension de grille augmente. Sur les figures 7 à 10, on a détaillé un mode de réalisation particulier, dans lequel la structure commandée SC est un thyristor MOS à canal N. Le schéma équivalent de cette structure est illustré figure 7, o la partie SC encadrée en tireté correspond au thyristor MOS. On connait l'avantage de cette structure commandée, dans laquelle l'électrode de commande G' s'apparente à une grille de transistor MOS. La puissance de commande y est faible par rapport à un thyristor classique, ce qui facilite la commande par voie optique. En chargeant la capacité grille-source (G'-S') à l'aide d'un courant d'origine optique, la tension sur la grille G' va croître et atteindre la tension de déclenchement de l'ensemble. Toutefois, une telle structure est très sensible auxcourantsde fuite, en raison des nombreuses jonctions introduites lors de la réalisation du com- posant. Le transistor MOS à déplétion MD (MOS auxiliaire) du circuit de commande de l'invention va précisément permettre de réaliser un courtcircuit résistif entre l'électrode de commande G' et la masse - (cathode du composant). Ce court-circuit sera en outre sélectif, car il ne sera effectif qu'en l'absence de photocourant traversant la photodiode. L'immunité aux déclenchements parasites et aux effets des courants de fuite va en être diminuée d'autant. Par contre, dès que le photocourant va - dépasser une valeur donnée, égale au courant de satu- ration du MOS MD, l'impédance du canal de ce dernier va croître. De la sorte, un courant va être dérivé vers l'électrode G', faisant croître la tension jusqu'à la valeur permettant le déclenchement de la structure commandée. La figure 8 montre un exemple d'implantation correspondant au schéma de la figure 7: on reconnaît la structure commandée (thyristor MOS) avec une struc- ture de thyristor TH à quatre couches NPNP, flanquée en surface d'un MOS latéral ML à enrichissement; à cette structure classique est associé le circuit de déclenchement formé de la photodiode PD et du MOS à déplétion MD. La résistance de court-circuit R de la figure 7 correspond à la région enterrée P du thyristor TH. En ce qui concerne la tenue en tension, on utilisera pour la réalisation du composant les techniques classiques de terminaison de jonctions: anneaux de garde, technologie MESA, technologie RESURF,... On notera l'importance de l'intervalle x, qui doit être inférieur à une valeur donnée pour per- mettre un "auto-blindage" du circuit de commande: en effet, lorsque le composant est polarisé en inverse et si la condition précitée est respectée, le circuit de déclenchement (notamment la photodiode PD) ne verra plus qu'une partie de la tension, le reste étant occulté par les circuits haute tension (essentiellement le thyristor TH). Sur les figures 9 et 10, on a représenté un exemple d'implantation d'un thyristor MOS commandé par un circuit selon l'invention. Sur la figure 9, la partie droite a été partiellement représentée dépourvue des conducteurs métallisés déposés en surface (qui sont représentés hachurés sur l'autre partie de la figure). On a délimité par un contour en tireté épais la position sur ce composant de la photodiode PD et du MOS à déplétion MD. Comme on peut le voir, la photodiode PD a une forme allongée, occupant la barre transversale d'un T dont la branche axiale est occupée par la structure du MOS à déplétion MD. La forme allongée ainsi donnée au MOS permet: d'augmenter le rapport Z/L du thyristor MOS, et donc d'en faciliter le déclenchement, 15.d'augmenter la longueur du canal du MOS, ce qui réduit d'autant le courant de saturation de celui- ci, tout en maîtrisant mieux ce paramètre. En effet, comme on l'a indiqué plus haut, la valeur que l'on donne à ce courant de saturation est un élément essentiel au fonctionnement du circuit de commande de l'invention, et d'accroître la dispersion du front d'allumage du thyristor, ce qui augmente la rapidité du basculement à l'état conducteur. Le circuit de commande en forme de T est lui-même placé en une région centrale du composant, dont la région périphérique est constituée par le thyristor MOS proprement dit, qui entoure donc la photo- diode PD et le MOS à déplétion MD. C'est précisément cette configuration qui permet d'obtenir une excellente tenue en tension inverse, notamment pour un composant haute tension (400 à 1400 volts), les circuits de commande étant "auto-blindés" par le'circuit de puissance soumis à la tension inverse, comme indiqué plus haut. -89006 Le cas- échéant, des plots métalliques de court-circuit CC-formes dans la région-N+ du thyris- tor permettent de diminuer la résistance R du schéma équivalent de la figure 7 jusqu'à une valeur permettant un-mode de fonctionnement satisfaisant du thyristor. En-effet, pour que le mode de déclenchement bipolaire/ bipolaire soit-prédominant, il est nécessaire que cette valeur ne soit pas--supérieure à une valeur limite donnée. REVENDICATIONS 1. Un circuit de commande par voie optique d'une structure commandée (SC) à électrode de déclenche- ment isolée (G'i), caractérisé en ce qu'il comprend une photodiode (PD) en série avec le canal d'un MOS dont la grille (G) est portée à un potentiel cons- tant, le point milieu de ce circuit série étant relié à l'électrode de déclenchement de la structure com- mandée, et le courant de saturation du MOS étant ajusté à une valeur supérieure au courant d'obscurité de la photodiode et inférieure au photocourant corres- pondant au seuil de déclenchement de la structure commandée. 2. un circuit de commande selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le MOS est un MOS à déplétion (MD) dont la grille et la source sont mises en court-circuit. 3. Un circuit comportant une structure commandée (SC) à électrode de déclenchement isolée (G'), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de commande formé d'une photodiode (PD) en série avec le canal d'un MOS dont la grille (G) est portée à un potentiel constant, le point milieu de ce circuit série étant relié à l'électrode de déclenchement de la structure commandée, et le courant de saturation du MOS étant ajusté à une valeur supérieure au courant d'obscurité de la photodiode et inférieure au photo- courant correspondant au seuii de déclenchement de la structure commandée. 4. Un circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que le MOS est un MOS à déplétion (MD) dont la grille et la source sont mises en court- circuit. 5. Un circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure commandé (SC) et le circuit de commande (PD, ME) sont réalisés sous forme d'un composant semiconducteur monolithique. *5 -6. Un circuit selon la revendication 5, dans lequel la structure commandée (SC) est un thyristor MOS (TE, ML), caractérisé en ce que le thyristor MOS est formé sur une région périphérique du composant, entourant le MOS et la photodiode, formés sur une région centrale du composant. 7. Un circuit selon la revendication 6, caractérisé ence que la région centrale est en forme de T, le MOS étant formé sur la branche axiale du T, et la photodiode étant formée sur la branche trans- versale de celui-ci.