Brevet FR2664760A1 — publié le 19920117

DISPOSITIF DE P Rf YTEDION CONTRE DES SURTESIONS ET SA REALISATION MONOLITHIOUE La présente invention coroerne un dispositif de protec- tion contre des surtensions et sa réalisation sous forme d'un composant semiconducteur monolithique La figure 1 représente le montage habituel d'un dispo- sitif de protection 1 Etant donné une tension d'alimentation disponible entre des bornes d'entrée A et B, et un circuit élec- tronique à protéger 2, le dispositif de protection est disposé entre les bornes d'entrée A et B. Deux types principaux de dispositifs de protection sont couranmment utilisés. Un prnemier type de dispositif de protection, par exemple une diode zener, est destiné à écrêter des impulsions de surtension survenant entre les bornes A et B Ce omnposant présente une caractéristique du type illustré en figure 2 A, à savoir que, dès que la tension à ses bornes dépasse une oertaine valeur, appelée tension de claquage ou tension d'avalanche VBR de la diode, le courant croit à tension sensiblement constante. Ainsi, comme le représente la figure 2 B, des impulsions Pl et P 2 venant se rajouter à une tension d'alimentation telle qu'une tension alternative redressée double alternanoe sont écrêtées et, dès la fin de l'impulsion, l'alimentation normale continue à être présente aux bornes du dispositif 2 à protéger. Un deuxième type de dispositif de protection, tel qu'un thyristor à déclenrchement par avalanche présente la caractéris- tique illustrée en figure 3 A Dès que la tension appliquée à ce dispositif dépasse une valeur VBO, dite tension de retourne- ment, le dispositif devient conducteur et la tension à ses bornes chute à une valeur très faible Le dispositif reste ensuite à l'état conducteur tant que le courant d'alimentation n'est pas réduit à une valeur inférieure à un courant de maintien IH A titre d'exemple, la tension VBO peut être de l'ordre de quelques centaines de volts et la tension VH de l'ordre de la dizaine de volts L'effet d'un tel dispositif de protection sur une tension alternative redressée double alternanoe est illustré en figure 3 B kn voit qu'à partir de l'impulsion P 1, l'alimen- tation du dispositif 2 est coupée pour ne remonter que lors de 1 ' alternaonce suivante. Chacun des dispositifs de protection décrits précédem- ment présente des avantages et des incor Eénients. L'inconvénient principal des dispositifs de type diode zener est que, quand les impulsions deviennent de longue durée, un courant notable circule pendant la durée de l'impulsion dans la diode qui présente une tension élevée à ses bornes (de l'ordre de 400 volts par exemple pour un dispositif de protection du réseau) et qu'en conséquence la diode s'échauffe Il faut alors prévoir des diodes de grande dimension et donc d'un coût élevé. L'inconvénient principal des dispositifs de type thyristor à avalanche est que, après chaque surtension, l'alimen- tation est interrnompue jusqu'à remise à zéro de la tension d'ali- mentation Il en résulte des disfonctionnements pour le disposi- tif à protéger qui ne reçoit plus d'alimentation ou qui doit co:prendre une capacité réservoir d'entrée importante pour pallier oes chutes de tension Malgré cet inonvénient, on est amené à utiliser des dispositifs de protection de ce type dès que les surtensions sont susceptibles d'être d'énergie (amplitude ou durée) importante. Or en pratique, le problème se pose de façon quelque peu différente En effet, la figure 4 illustre le résultat d'une étude statistique effectuée sur des lignes d'abonnés en Europe. Cette étude correspond à l'observation pendant 112 jours d'une ligne d'abonné et révèle l'apparition de 1009 surtensions Plus particulièrement, la figure 4 est un diagramme montrant la proba- bilité d'apparition de surtensions d'amplitude et de durée données Le diagramme de la figure 4 montre que 29,44 % des surtensions observées ont une valeur comprise entre 200 et 300 volts au-dessus de la tension normale du réseau et une durée entre 1 et 3 microsecondes alors que 0,42 % des surtensions observées seulement ont une valeur comprise entre 600 et 700 V et une durée comprise entre 3 et 10 microsecx>ndes. On peut classer les surtensions observées en deux caté- gories, oelles à forte énergie et celles à fhaible énergie Les surtensions à forte énergie sont caractérisées soit par une longue durée (par exemple supérieure à 10 microsecondes) même si leur amplitude est relativement faible (par exemple inférieure à 300 volts), soit par une forte amplitude (par exemple supérieure à 600 volts) mnome si leur durée est relativement courte (par exemple inférieure à une microseconde) Les surtensions à faible énergie présentent les caractéristiques oomplémentaires Dans l'exemple ci-dessus, ce sont celles qui ont une amplitude infé- rieure à 600 volts et une durée inférieure à 10 microsecondes. En se reportant au diagramme de la figure 4, on voit que les impulsions de faible énergie apparaissent dans 96,38 % des cas observés tandis que les surtensions de forte énergie ne représentent que 3,62 % des cas Néanmoins, classiquement, et pour tenir compte des surtensions à forte énergie, on ne peut se contenter d'un dispositif de protection à écrêtage tel qu'une diode zener et il convient d'avoir recours à un dispositif coupe- circuit du type thyristor à avalanche. Un objet de la présente invention est de prévoir un dispositif de protection fonctionnant en écrêtage pour des impul- sions de surtension de faible énergie et en coupe-circuit seule- ment pour des impulsions de forte énergie. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une réalisation sous forme de circuit monolithique à semniconduc- teur d'un tel dispositif permettant un ajustage déterminé des caractéristiques relatives des divers omposants du dispositif de protection. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un dispositif de protection contre des surtensions susceptibles de survenir entre deux bornes A et B oeprenant, entre ces bornes, un thyristor à déclerineant par avalanche ayant une tension de retournement détermirnée Ce dispo- sitif comprend en outre une diode zener montée en parallèle, tête-bêche, avec le thyristor, cette diode étant choisie pour que sa tension d'avalanche soit inférieure à ladite tension de retourrement et ne devienne supérieure que pour des surtensions présentant une durée ou une amplitude supérieure à un seuil prédéterminé. Le dispositif selon la présente irnvention peut être réalisé sous forime d'un comnposant semicthducteur monlithique cnprenant un substrat semidceur de type N et oaportant dans une première tranche verticale des couches propres à former un thyristor à déclen ent par avalanche et dans une deuxième tranche verticale des couches propres à former une diode zener, la face supérieure étant métallisée et ourt-circuitant l'anode de la diode zener et la cathode du thyristor et la face infé- rieure étant métallisée et court-circuitant la cathode de la diode zener et l'anode du thyristor, caractérisé en ce que la jonction NP entre le substrat et la couche P supérieure dans laquelle se dc leer_-he l'avalanche présente un gradient de concen- tration plus élevé dans la partie correspondant à la diode zener que dans la partie correspondant au thyristor. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 à 4 destinres à illustrer l'état de la technique et le problème que vise à résoxudre la présente inven- tion ont été décrites précédemment; la figure 5 représente un scina de circuit d'un dispo- sitif de protection selon la présente irnvention; la figure 6 représente des courbes courant/tension destires à illustrer le fnctionnement du dispositif selon la présente invention; la figure 7 représente un mode de réalisation sous forme de circuit monolithique à semiconducteur d'un composant selon la présente invention; et la figure 8 représente une variante de réalisation monolithique d'un dispositif de protection selon la présente invention. Dans les figures 7 et 8, on notera que, conformnment à l'usage dans le domanaine de la représentation des composants semi- conducteurs, les épaisseurs et dimensions latérales des diverses régioes et couches ne sont pas représentées à l'échelle mais dilatées arbitairemnt pour faciliter la lisibilité et le tracé des figures. La figure 5 représente un dispositif de protection selon la présente invention Il acomprend, entre des bornes d'ali- mentation A et B, une diode zener 4 en anti-parallèle avec un thyristor 6 à décler eent par avalanche, c'est-à-dire un thyristor sans gâchette se déclpnrhrnt quand la tension à ses bornes devient supérieure à une valeur déterminée. La figure 6 illustre le fontionnement d'un dispositif selon la présente invention La diode zener présente une tension d'avalanche VER et, dès que la tension à ses bornes dépasse cette valeur VER, le courant croit rapidement tandis que la tension reste sensiblement constante Toutefois, la diode zener présente une certaine résistance dynamique. La présente invention utilise le fait que oette résis- tance dynamique est variable et dépend notamment de la tempé- rature de la jnction zener Eni présence d'une impulsion de longue durée, la diode s'échauffe et sa résistance dynamique croit Dans la figure 6, la courbe 11 correspxd au cas d'une impulsion de courte durée, la courbe 12 à une impulsion de durée moyenne et la courbe 13 à une impulsion de durée lcngue. Le thyristor 6 est choisi pour que sa tension de retournement VBO soit supérieure à la tension VBR de la diode zener La différence entre les valeurs VBO et VBR est telle que la tension VB O est atteinte seulement pour des impulsions relativement longues (courbe 13) ou pour des impulsions courtes mais intenses (prolongement non représenté de la courbe 12). Quarnd la tension VBO est atteinte, une avalanche se produit dans le thyristor et apparaît le phnoe de retournement, c'est-à-dire que la tension aux bornes chute rapidement comme oela est indiqué par la courbe 14, pour atteindre une tension faible sensiblemarnt égale à une valeur VH comame cela est indiqué par la courbe 15 Ensuite, c'est seulement quand la tension d'alimentation décroît et que le courant devient infé- rieur à IH que le thyristor 6 se bloque à rxnouveau. On obtient ainsi un dispositif fonctionnant en écréteur pour des impulsions de faibhle énergie et en coupe-circuit pour des impulsions de forte énergie. L'homme de l'art choisira la différence entre les valeurs VB O et VBR en foction de la durée et/ou de 1 l'ampli- tude limite des impulsions dont il veut se protéger Il pourra par exemple choisir respectivement des valeurs de 450 et 400 volts ou de 500 et de 450 volts Une façon de fixer avec précision la différence entre les tensions VBR et VB O consiste à réaliser sous forme d'un composant monolithique la diode zener 4 et le thyristor à déclen- chement par avalanche 6. Un premier exemple de réalisation d'un tel cm 2 posant monolithique est illustré en figure 7. La partie droite de la figure 7 correspod au thyristor 6 et la partie gauche à la diode zener 4 Ce composant est fabriqué à partir d'un substrat semiconducteur 20 de type N. Du côté thyristor, une couche 21 de type P et une couche de cathode ou d'émetteur 22 de type N munie classiquement de courts-circuits d'émetteur sont formées au-dessus du subs- trat De l'autre coté du substrat 20, sur la faoe inférieure, est formée une couche d'arnode 23 de type P. Du côté diode, une couche d'anode 25 de type P est formée sur la faoe supérieure du substrat 20 et une couche de cathode 26 de type N+ sur la surfaoe inférieure. Une nétallisation 28 recouvre la face supérieure du composant et constitue l'anode de la diode et la cathode du thyristor Une métallisation 29 reoeuvre la faoe inférieure du coeposant et constitue la cathode de la diode et l'anode du thyristor La jonction qui déterminoe la mise en avalanche de la diode 4 est la jnction 30 entre le substrat 20 de type N et la oouche 25 de type P La jonction qui détermine la mise en ava- lanche du thyristor 6 est la jnction 31 entre le substrat 20 et la couche 21 de type P Pour que la diode 30 entre en avalanche avant le thyristor, il convient que le gradient de concentration des impuretés dopantes soit plus élevé au niveau de la jonction 30 qu'au niveau de la jonction 31. L'homme de l'art cxnnait de nombreux moyens d'obtenir une telle différence de gradients de coenentration L'un des moyens utilisables consiste à former par implantation d'abord la région 21 et à effectuer un premier recuit puis à former la région 25 et à effectuer un second recuit pendant lequel les atomres dopants dans la région 21 onitinueront à diffuser. La structure illustrée en figure 7 est particulièraement simple à réaliser Toutefois, il est connu que la valeur des tensions d'avalanche dépendra fortement de la conentration du substrat 20 Or, oette oncentration est relativement variable d'une plaquette à une autre et même dans des régions distinctes d'une même plaquette On aura dconc bien obtenu un écart choisi détermirn entre les niveaux d'avalanche des deux cxmposants mais la valeur absolue de la tension d'avalanche de chacun de oes crmposants sera relativement variable. Pour éviter oet irnéwénient, on peut utiliser le mode de réalisation illustré en figure 8 dans lequel de mêmes couches et parties de couches qu'en figure 7 sont désignées par de mêmes références Dans oe mode de réalisation, les couches 21 et 25 sont formées en une seule et même étape Le gradient de concen- tration au niveau des jncctions est réalisé en faisant varier la oencentration du côté N de chacune des jonctions que l'on veut mettre en avalanche Pour cela, avant de former la couche 21-25, on forme à la surface du substrat des régions de type N plus fortement dopées 35 et 36, respectivement du côté thyristor et du côté diode et les jonctions auxquelles on s'intéresse sont les jonctions 41 entre les couches 21 et 35 et 40 entre les couches 36 et 25 Les régions 35 et 36 peuvent être formées ou bien en implantant des doses de dopant N différentes du côté diode et du côté thyristor et en procédant à un recuit ou bien, comme cela a été indiqué précdemment, en opérant en deux étapes c'est-à- dire en effectuant une première implantation suivie d'un recuit puis une deuxième implantation suivie d'un deuxième recuit Par ce moyen, on peut régler avec précision les concentrations et les gradients de concentration au niveau des jonctions pour les couches 35 et 36 et obtenir des composants présentant des valeurs de tension d'avalanche plus précises que dans le cas du mode de réalisation de la figure 7. La présente invention a été exposée de façon gérnérale et dans le cadre de modes de réalisation particuliers L'homme de l'art pourra y apporter diverses variantes et modifications. Notamment, il pourra utiliser des cxnmposants autres que des dio- des zener mais ayant les mêmes fonctions et des cxxosants autres que des thyristors à avalanche ayant les nmêmes fonctions D'autre part, on a décrit ici un dispositif de protection undirec- tioeiel La présente invention s'applique de même à des oicpo- sants de protection bidirectionnels, les transformations et5 montages destirns à former des dispositifs de protection bidirec- tionnels à partir de dispositifs de protection unidirectionnels étant bien connus de l'homme de l'art. REVENDICATI O f 1 Dispositif de protection contre des surtensions susoeptibles de survenir entre deux bornes A et B comprenant, entre oes bornes, un thyristor à décle Ixnent par avalanche ( 6) ayant une tension de retournement (VB 0) déterminée, caractérisé en oe qu'il oelprend en outre urn diode zener ( 4) montée en p 1 lèle, tête-bêche, avec le thyristor, oette diode étant choisie pour que sa tension d' avalanche (VER) soit inférieure à ladite tension de retournement et ne devienne supérieure que pour des surtensions présentant une durée ou une amplitude supérieure à un seuil prédéterminé. 2 Composant semiconducteur monolithique mettant en oeuvre le dispositif selon la revendication 1 oeiprenant un subs- trat semicrnducteur de type N ( 20) et comportant dans une première tranche verticale des oouches ( 21, 22, 23) propres a former un thyristor à déclenr Iement par avalanche ( 6) et dans une deuxième tranche verticale des couches ( 25, 26) propres à former une diode zener ( 4), la face supérieure ( 28) étant métallisée et oourt-circuitant 1 ' anode de la diode zener et la cathode du thyristor et la face inférieure ( 29) étant métallisée et court- circuitant la catho 1 de de la diode zener et 1 ' anode du thyristor, caractérisé en os que la jcrnticn NP entre le substrat ( 20) et la couche P supérieure ( 21, 25) dans laquelle se déclernhe l'ava- lanche présente un gradient de cooentration plus élevé dans la partie correspondant à la diode zener que dans la partie oorrespmndant au thyristor. 3 Ccmposant selon la reverdication 2, caractérisé en oe que, dans la surface supérieure du substrat, est fornée, dans la partie correspcndant au thyristor, uner première région P ( 21) et dans la partie correspondant à la diode une deuxièm région P ( 25), la deuxième régicn P ayant un gradient de cncxentration plus élevé que la première. 1 l 4 Caxiosant selon la revendication 2, caractérisé en oe que la faoe supérieure du substrat ( 20) comprend, sous la région P ( 21, 25) de base du thyristor et d'anode de la diode, respectivement, une première région N ( 35) à niveau de dopage5 plus élevé que le substrat au niveau du thyristor et une deuxième régiaon N ( 36) à dopage plus élevé que la première au niveau de la diode.