Brevet FR2670338A1 — publié le 19920612

-t CIRCUIT DE PRDTECTION PRXOAU 4 MABLE ET SA REALISATION MONOLITHICUE La présente invention concerne le domaine des circuits de protection contre des surtensions de ligne. Parmi les circuits de protection à l'encontre de surtensions, on connaît, par exemple à partir du brevet américain 4 282 555, des schémas du type de celui illustré en figure 1 dans lequel trois modules de protection unidirectionnelle 1, 2 et 3 sont connectés entre un point oemmun C et une première ligne A, une deuxième ligne B et une terre M Chacun des éléments de protection comprend en anti-parallèle un composant de protection unidirectionnelle P et une diode D, respectivement Pi, Dl; P 2, D 2; P 3, D 3 Les électrodes de même nature (anode ou cathode) des divers composants sont reliées au point C. Les composants de protection Pi, P 2, P 3 sont par exemple des thyristors sans gâchette qui deviennent conducteurs de leur anode vers leur cathode quand la tension à leurs bornes dépasse une valeur de seuil détermine par fabrication. Un avantage du circuit de la figure 1 est que les trois modules représentés peuvent être intégrés sur une même puoe. Toutefois, à partir du moment o l'on choisit la solu- tion avantageuse d'intégration monolithique des trois éléments de protection, il en résulte, pour des raisons technologiques que les tensions de claquage des trois comnposants de protection Pl, P 2, P 3 seront identiques et varieront (augmenteront) avec la température du composant, un échauffement pouvant être provoqué par une surtension longue ou des surtensions brèves et répétées. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un circuit de protection qui s'affranchisse de oes deux inconvé- nients, c'est-à-dire dans lequel d'une part la tension de protec- tion de chacun des éléments soit réglable indiépenrament de oelle des autres éléments et d'autre part cette tension de protection soit indépendante de la température. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un circuit de protection programmable pour une ligne aomprenant trois modules identiques reliés entre un point cocmmu et la première ligne, la deuxième ligne et une terre dans lequel chaque module comprend l'association en antiparallèle d'un thyristor et d'une diode, un transistor bipolaire étant connecté entre gâchette et anode du thyristor, les anodes des thyristors étant relises au point conmmun et la borne de base de chaque module constituant une borne de programmation et étant conectée à un dispositif définissant un seuil de tension. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif définissant un seuil de tension est une diode zener connectée entre chaque borne de base et le point commun. La présente invention prévoit aussi un composant mono- lithique groupant trois modules de protection comprenant chacun un thyristor et une diode en antiparallèle, un transistor étant connecté entre la gâchette et l'anode de chaque thyristor, les anodes des thyristors étant reliées à une borne commune corres- pondant à la face arrière du cromnposant monolithique, ce composant étant constitué à partir d'un substrat de type N Chaque thyris- tor comprend successivement de son anode vers sa cathode une région d'anode de type N, un premier caisson de type P, le subs- trat, et une région de type P en contact avec la métallisation de face arrière Chaque diode est constituée verticalement du premier caisson, du substrat et d'une région de type N en contact avec la face arrière Chaque transistor est constitué d'un deuxième caisson de type P dans lequel est formé une région d'émetteur, le substrat et une région de type N de face arrière constituant le collecteur Une première métallisation est soli- daire de la base du transistor et correspond à l'électrode de commande, une deuxième métallisation relie l'émetteur du transis- tor à la région de gâchette d'anode du thyristor, et une troi- sième métallisation reoouvre la région de cathode du thyristor et le caisson adjaoent et correspond à l'anode de la diode. 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: la figure 1, décrite précédmanent, est destinée à illustrer l'état de la technique; la figure 2 représente un circuit de protection programmable selon la présente invention; la figure 3 représente un mode d'intégration du circuit selon la présente invention; et les figures 4 et 5 illustrent divers montages du circuit monolithique selon la présente invention. Comme le représente la figure 2, un circuit selon la présente invention comprend trois modules Ml, M 2 et M 3 dont chacun est constitué de l'association en antiparallèle d'un thyristor T et d'une diode D Chaque module comprend aussi un transistor NPN TR dont l'émetteur est onnezcté à la borne de gâchette du thyristor et dont le ollecteur est relié à l'anode du thyristor La base du transistor correspond à la borne de commande G du module Dans la figure, les composants du module M 1 sont affectés de l'indioe 1, les compiosants du module M 2 de l' indioe 2 et les composants du module M 3 de l'rindice 3. On peut considérer que, dans chacun des modules, l'en- semble d'un thyristor et d'un transistor constitue un thyristor du type à amplification de gâchette Un tel thyristor rnécessite seulement un faible courant de oearnde pour sa mise en conduc- tion tout en conservant de bonnes caractéristiques de tenue en tension et de tension de maintien. Du fait qu'un faible courant de commande est suffisant pour décle er chacun des thyristors, les bornes de oemmande G de chacun des modules peuvent être connectées à l'anode d'une diode zener dont l'autre borne est connectée au point commun C. Puisque le courant est faible, les diodes zener, qui sont exter- nes au circuit incorporant les modules, n'auront pas tendance à s'échauffer et des tensions de protection bien définies pourront être fixées pour chacun des modules M 1, M 2, M 3 Les modules Ml et M 2 ayant des rôles relativement symétriques, on pourra choisir une méme tension de claquage pour les diodes zener Z 1 et Z 2 et éventuellement une tension de claquage différente pour la diode zener Z 3 Il sera toutefois possible, dans des cas particuliers, de choisir des tensions de claquage différentes pour les diodes zener Z 1 et Z 2, ceci étant fcnction de l'application envisagée. La figure 3 représente un mode d'association nmnoli- thique des modules Plus précisément, sur la figure on a illustré pour des raisons d'encombrement l'association monolithique des seuls modules Ml et Mr 13 Il sera toutefois clair que le module M 2, qui est identique aux modules Ml et M 3, pourra également être formé sur la même puce La figure 3 est une représentation en coupe extrêmement schématique mais qui suffira à l'homme de l'art du domaine des composants semiconducteurs, qui connaît les épais- seurs de couche classiquement obtenues par diffusion, et les dimensions latérales à donner aux divers composants en fonction notamment des puissances que l'on veut y faire passer L'homme de l'art connait également les niveaux de dopage utiles au fonction- nement de chacun des composants et les coxnpromanis à faire pour obtenir sur une même puoe par un minimum d'étapes de diffusion des niveaux de dopage compatibles pour divers composants. La partie gauche de la figure 3 illustre le module Ml et la partie droite le module M 3 On décrira seulement le module M 1, les autres modules étant identiques. La structure monolithique est forméne à partir d'un substrat de silicium de type N faiblement dopé 10 La face arrière de ce substrat est recouverte d'une métallisation C correspondant au point cmmnun C de la figure 2 Les composants TR 1, Tl, Dl sont de structure verticale. La base du transistor TR 1 correspond à un caisson P 11 situé du côté de la face avant ou supérieure du substrat et dans lequel est formée une région d'émetteur 12 de type N Le collec- teur du transistor TR 1 correspond au substrat 10 et à une région surdopée de type N 13 du côté de la face arrière du substrat. La région de gâchette de cathode du thyristor T 1 correspold à un caisson P 21 dans lequel est formée une région N 22, généralement munie de courts-circuits d'émetteur Ainsi, ce thyristor omnprend depuis sa cathode vers son anode la couche 22, le caisson 21, le substrat 10 et une couche plus dopée 23 de type P en contact avec la métallisation C. La diode Dl est constituée par le caisson P 21, le substrat 10 et une région de type N surdopée 25. On notera que dans cette structure, les différents modules et les différents oetposants d'un module ne sont pas iso- lés les uns des autres par des régions de diffusion profondes On prévoiera toutefois de préférence des régions d'arrêt de canal de type N+ 27 entre les divers caissons P. En ce qui concerne les métallisations de la face avant, elles sont représentées par des régions hachurées en contact avec des régions semiconductrioes ou des portions de couche isolante non référerncées, généralement en oxyde de silicium Une métalli- sation G 1 en cantact avec le caisson P 11 correspond à la borne de 3 ene G 1 du module MI Une métallisation de liaison 30 relie l'émetteur 12 du transistor T Ri à la région de gâchette de cathode 21 du thyristor T 1 Enfin, une métallisation reouvrant la couche de cathode 22 et la surface apparente du caisson 21 est destirnée à être reliée à la ligne A et correspond à la cathode du transistor T 1 et à l'anode de la diode D 1. Les figures 4 et 5 représentent la structure monoli- thique de la figure 3 sous forme d'un bloc 40 comprenant des bornes G 1, G 2, G 3 et C destines à être reliées aux diverses diodes zener et des bornes A, B et M destinées à être reliées à la ligne A, à la ligne B et à la terre Le schéma de la figure 4 est conforrme à celui de la figure 2 Dans le schéma de la figure , on a voulu montrer qu'une diode unique Z 12 pouvait être employée pour remplacer les diodes Z 1 et Z 2 dans le cas o l'on ne veut pas programmer différemment les tensions de protection des modules ML et M 2 On pourrait même prévoir une diode unique reliée aux trois bornes G 1, G 2, G 3. La présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, les transistors d'amplification de gâchette TR pourraient être remplaces par des thyristors d'amplification de gâchette Ceci peut être réalisé simplement dans l'exemple de structure monolithique de la figure 3 en remplaçant la couche 13 de type N par une couche de type P. Par ailleurs, on a décrit ci-dessus un mode de réali- sation de la présente invention dans lequel les tensions de retoureent sont détermiées par des diodes zener On pourrait aussi prévoir, pour des tensions de progrannation de O à 150 V, d'appliquer une tension de batterie externe directement sur les bornes G 1, G 2 et G 3 La tension programée de retourement serait alors définie par la tenue en tension de la jonction émetteur- base des transistors TR 1, TR 2, TR 3. REVENDICATIONS 1 Circuit de protection programmable pour une ligne comprenant trois modules identiques reliés entre un point commun (C) et la première ligne (A), la deuxième ligne (B) et une terre (M), caractérisé en ce que chaque module comprend l'association en antiparallèle d'un thyristor (T) et d'une diode (D), un tran- sistor bipolaire (TR) étant connecté entre gâchette et anode du thyristor, les anodes des thyristors étant reliées au point c Cmmun et la borne de base de chaque module constituant une borne de programmation et étant cooectée à un dispositif définissant un seuil de tension. 2 Circuit de protection programmable selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que chacun des dispositifs définis- sant un seuil de tension est une diode zeoer (Z 1, Z 2, Z 3) conrectée entre chaque borne de base et ledit point coumun. 3 Canmosant mconlithique groupant trois modules de protection comprenant chacun un thyristor (T) et une diode (D) en antiparallèle, un transistor (TR) étant crnecté entre la gâ- chette et l'anode de chaque thyristor, les anodes des thyristors étant reliées à une borne commune (C) corresporsant à la faoe arrière du composant monolithique, oe composant étant constitué à partir d'un substrat ( 10) de type N et étant caractérisé en oe que: chaque thyristor comprend successivement de son anode vers sa cathode une région d'anode ( 22) de type N, un premier caisson ( 21) de type P, le substrat ( 10), et une région ( 23) de type P en contact avec la métallisation de faoe arrière, chaque diode est constituée verticalement dudit premier caisson ( 21), du substrat ( 10) et d'une région ( 25) de type N en contact avec la face arrière, chaque transistor est constitué d'un deuxième caisson ( 11) de type P dans lequel est formé une région d'émetteur ( 12), le substrat ( 10) et une région ( 13) de type N de face arrière constituant le collecteur, une première métallisation (G 1) étant solidaire de la base du transistor et correspoxdant à l'électrode de ccmmande, une deuxième métallisation ( 30) reliant l'émetteur du transistor à la région de gâchette d'anode du thyristor, et une troisième métal- lisation (A) recouvrant la région de cathode du thyristor et le caisson adjacent corresçxxlant à l'anode de la diode.