Brevet FR2670339A1 — publié le 19920612

CIRCUIT DE PROTECTION LIMITANT LES SURTENSIONS ENTRE DEUX LIMITES CHOISIES ET SON INT/ ATION MONOLITHIOUE La présente invention cocerne des circuits de protec- tion contre les surtensions de lignes telles que des lignes télé- phoniques, et vise plus particulièrement de tels circuits permet- tant d'établir des seuils différents de surtension positive et négative En outre, la présente invention prévoit un tel circuit associable à un circuit de détection d'incident. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un circuit de protection de lignes telles que des lignes téléphoniques contre des surtensions positive ou négative de valeurs minimales respectives données, comprenant entre un point commun, d'une part, et une première ligne, une deuxième ligne et la terre, d'autre part, des premier, deuxième et troisième éléments de protection, respectivement constitués d'une diode en anti-parallèle avec un thyristor dont l'anode est reliée au point ommrun et dont la gâchette reçoit un signal de polarisation, les premier et deuxième thyristors étant à gâchette de cathode et le troisième thyristor à gâchette d'anode Dans ce circuit, chacun des premier et deuxième thyristors est associé à un transistor d'amplification de courant de gâchette, l'émetteur de chaque transistor étant relié à la gâchette du thyristor correspondant et le ollecteur de chaque transistor étant relié à un deuxième point commr Xun connecte à la gâchette du troisième thyristor. En outre, la présente invention prévoit un mode d' inté- gration monolithique du circuit selon l 'invention réalisé à partir d'un substrat de silicium de type N dont la face arrière correspond au point commun et dont la face avant comprend les diverses métallisations de liaison aux lignes, à la masse, et aux tensions de polarisation Le thyristor à gâchette d'anode oom- prend, à partir de la face arrière, une couche surdopée de type P, le substrat correspoxndant à la gâchette d'anode, un caisson de type P et, du côté de la face avant, une région de type N percée de courts- circuits d'émetteur, reliée à une métallisation de cathode Chaque thyristor à gâchette de cathode comprend, à partir de la face arrière, une région de type P, le substrat, un caisson de type P orrespondant à la gâchette de cathode et une région de type N munie de courts-circuits d'émetteur recouverte d'une métallisation de cathode Chaque transistor d'amplification de gâchette est formé au voisinage du thyristor à gâchette d'ano- de et comprend, à partir de la faoe avant, un caisson de type P correspondant à sa base dans lequel est formée une région de type N+ correspondant à son émetteur et reliée par une métallisation au caisson de gâchette du thyristor à gâchette de cathode corres- pondant, le collecteur de ce transistor correspondant au substrat et donc à la région de gâchette d'anode du thyristor à gâchette d'anode, la face arrière du substrat, en regard du caisson de base du transistor considéré, comprenant essentiellement une région de type P. 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 représente un schéma de circuit de protec- tion de ligne; la figure 2 représente un mode de réalisation d'un circuit de protection de ligne selon la présente invention; la figure 3 représente un exemple de structure monxo- lithique mettant en oeuvre le circuit de la figure 3; et la figure 4 représente à échelle agrandie une partie de la structure de la figure 3. On notera que dans les diverses figures relatives à des représentations de structure intégrée, aucune échelle n'est res- pectée, les dimensions et épaisseurs des diverses couches étant arbitrairement rétrécies ou dilatées pour simplifier le tracé et la lisibilité des figures. La figure 1 représente un circuit de protection adapté à deux lignes A et B et permettant d'écrêter des surtensions positives supérieures à une valeur Vl ou des surtensions néga- tives inférieures à une valeur -V 2 par rapport à la terre Ce circuit comprend trois thyristors Tl, T 2 et T 3 dont les anodes sont reliées à un point oe Imun C et dont les cathodes sont reliées respectivement à la masse M, à la première ligne A et à la deuxième ligne B A chaque thyristor est associée une diode en anti-parallèle, respectivement DI, D 2 et D 3 Le thyristor T 1 est un thyristor à gâchette d'anode et les thyristors T 2 et T 3 sont des thyristors à gâchette de cathode La gâchette du thyristor T 1 est reliée à une borne de commande G 1 par l'intermédiaire d'une diode d'isolement T 4 La borne G 1 est reliée à une source de tension positive Vl légèrement inférieure à la tension positive que l'on veut écrêter Les gâchettes des thyristors T 2 et T 3 sont reliées à une borne de comandxle G 2 par l'intermédiaire de diodes d'isolement D 5 et D 6 La borne G 2 est reliée à un potentiel -V 2, la tension V 2 étant légèrement inférieure à la tension négative que l'on veut écrêter. Le fonctionnement de ce circuit est le suivant. Une surtension positive sur la ligne A s'écoulera par la diode D 2 et par le thyristor Tl rendu passant du fait que le potentiel sur le point C est supérieur au potentiel de cmanade Vl sur la grille G 1. De même une surtension positive sur la ligne s'écoulera par la diode D 3 et le thyristor T 1. Une surtension négative sur la ligne A rendra passant le thyristor T 2 et s'écoulera par oe thyristor et, ou bien vers la masse par la diode Dl ou bien vers l'autre ligne par la diode D 3. De même une surtension négative sur la ligne B s'écou- lera par le thyristor T 3 et vers la ligne A par la diode D 2 ou vers la masse par la diode D 1. Ainsi, dans le cas d'une surtension négative, avec le montage de la figure 1, une surtension pourra s'écouler ou bien vers la masse ou bien vers l'autre ligne Elle s'écoulera préfé- rentiellement vers l'autre ligne si celle-ci est à un potentiel plus élevé que celui de la masse Ceci présente un inconvénient pratique car, géral Aement, on souhaite dans les montages d'éli- mination de surtensions déterminer qu'un incident (une sur- tension) s'est produit Pour cela, on utilise un détecteur 10 indiquant si du courant a circulé vers ou à partir de la masse. Dans le cas d'une surtension transmise d'une ligne sur l'autre, ce détecteur ne verra pas de passage de courant de masse et aucun incident ne sera signalé. Pour résoudre oe problème, la présente invention pré- voit un schéma du type de celui de la figure 2 Dans c schéma, chacun des thyristors D 2 et D 3 est associé à un transistor, res- pectivement TR 2 et TR 3, d'amplification de courant de gâchette. Chacun des transistors est relié par son émetteur à la gâchette de cathode du transistor correspondant et par sa base à la borne de commande G 2 Les collecteurs des transistors TR 2 et TR 3 sont oennectés à un point commxrun D relié à la gâchette E du thyristor à gâchette d'anode T 1 Ainsi, quand une surtension négative se produit sur la ligne A, le thyristor T 2 et le transistor TR 2 deviennent passants La mise en oinduction du transistor TR 2 entraîne, en raison de la connexion entre les points D et E le passage d'un courant de gâchette dans le thyristor T 1 et le rend conducteur Ainsi, un certain courant passera par la diode D 3 et le thyristor T 1 vers la masse en plus du courant passant par la diode D 3 et le thyristor T 2 pour résorber la surtension Ainsi, le détecteur 10 fournira une détection d'incident. Dans ce qui précède, on a supposé sur les trois thyris- tors T 1, T 2, T 3 étaient reliés par leurs anodes, que le thyristor T 1 était un thyristor à gâchette d'anode et que les thyristors T 2 et T 3 étaient à gâchette de cathode On pourrait symétriquement envisager que les thyristors T 2, T 3 et Tl soient reliés par leur cathode En oe cas, le thyristor T 1 serait remplacé par un thyristor à gâchette de cathode et les thyristors T 2 et T 3 par des thyristors à gâchette d'anode. Un avantage du circuit de la figure 2, selon l'inven- tion, est que, outre qu'il résout le problème de la détection d'incident sur une ligne, il peut être intégré de façon mono- lithique. Une représentation simplifiée d'ure telle intégration monolithique est illustrée partiellement en figure 3 o l'on a représenté la diode D 4, le thyristor T 1, le transistor TR 2, le thyristor T 2 et la diode D 2 On n'a pas représenté la diode Dl associée au thyristor T 1 cormte la diode D 2 au thyristor T 2, ni l'ensemble T 3, D 3, TR 3 semblable à l'ensemble T 2, D 2, TR 2. Le ccaposant monolithique de la figure 3 est formé à partir d'une plaquette de silicium de type N 20 revêtue sur sa face arrière d'une métallisation C. Le thyristor à gâchette d'anode T 1 cimprend, à partir de la face inférieure, une région P surdopée 21, le substrat 20, un caisson P 22 et une couche N munie de courts-circuits d'émetteur 23 et revêtue d'une métallisation 24 onectée à la masse, par l'interédiaire du détecteur 10 (non représenté) La métallisa- tion 24 recouvre aussi une partie non représentée du caisson 22, non recouverte de la couche 23, nstituant l'anode de la diode DI La région de gâchette d'anode du thyristor T 1 est reprise, par l' intermédiaire d'une région surdopée de type N 25 par une métallisation 26 qui la relie à un caisson P 27 dans lequel est diffusée une région N 28, les régions 27 et 28 formant la diode D 4 Une métallisation 29 recouvrant la région N 28 est reliée à la borne G 1 destinée à être connectée à une source de polarisa- tion positive +Vl. Le thyristor à gâchette de cathode T 2 comprend, en partant de la face inférieure, une région P 31, le substrat N 20, un caisson P 32 et une région N 33 percée de courts-circuits d'émetteur et revêtue d'une métallisation d'anode 34 reliée à la ligne A. La diode D 2 est formée entre la métallisation 33 et la métallisation de face arrière C par le caisson P 32, le substrat N 20 et une couche surdopée N 35 du côté de la face inférieure. Une métallisation 40 est en contact avec le caisson P 32 et correspond à la gâchette de cathode du thyristor T 2. Le transistor TR 2 est représenté dans la partie cen- trale de la figure Sa base orrespond à un caisson de type P 41, son émetteur à une couche 42 formée dans ce caisson 41 et reliée par la métallisation 40 à la région de gâchette du thyristor T 2. Le collecteur du transistor TR 2 correspond au substrat N 20. Comme le montre mieux la figure 4 la diffusion P 21 d'anode du thyristor Tl se prolonge au moins partiellement sous la région N+ d'émetteur 42 de ce transistor TR 2 de sorte qu'on peut considérer que le collecteur D du transistor TR 2 est relié à la gâchette d'anode E du thyristor T 1 Il faut bien entendu que le transistor TR 2 soit disposé au voisinage immédiat du thyristor T 1 Il en sera de méme pour le transistor TR 3 (non représenté). L'homme de l'art notera que diverses variantes et modi- fications peuvent être appportées à la réalisation du circuit selon la présente invention Par example, on a représenté sur la figure des régions surdopées N+ situées entre les caissons et servant d'arrêt de canal Par ailleurs on n'a pas toujours repré- senté de région surdopée à l'emplaement de contact entre une métallisation et une couch sous-jacente Une telle région sera nécessaire si la région avec laquelle la métallisation est en5 contact n'est pas suffisamment dopée. L'homme de l'art notera également qu'un avantage de la réalisation selon la présente invention est qu'il n'est pas prévu de régions à diffusion profonde servant d'isolation électrique entre les ceaposants élémentaires du circuit. REVENDICATIONS 1 Circuit de protection de lignes telles que des lignes téléphoniques contre des surtensions positive ou négative de valeurs minimales respectives (+Vl et -V 2) données, comprenant entre un point eommun (C), d'une part, et une première ligne (A), une deuxième ligne (B) et la terre (M), d'autre part, des pre- mier, deuxième et troisième éléments de protection, respective- ment constitués d'une diode (Dl, D 2, D 3) en anti-parallèle avec un thyristor (T 1, T 2, T 3) dont l'anode est reliée au point commun et dont la gâchette reçoit un signal de polarisation, les premier et deuxième thyristors étant à gâchette de cathode et le troi- sième (T 1) à gâchette d'anode, caractérisé en ce que chacun des premier et deuxième thyristors est associé à un transistor (TR 2, TR 3) d'amplification de courant de gâchette, 1 'émetteur de chaque transistor étant relié à la gâchette du thyristor correspondant et le collecteur de chaque transistor étant relié à un deuxième point crommun (D) connecté à la gâchette du troisième thyristor. 2 Circuit de protection de lignes telles que des lignes téléphoniques contre des surtensions positive ou négative de valeurs respectives (+Vl et -V 2) données, comprenant entre un point commun (C), d'une part, et une première ligne (A), une deuxième ligne (B) et la terre (M), d'autre part, des premier, deuxième et troisième éléments de protection, respectivement constitués d'une diode (Dl, D 2, D 3) en anti-parallèle avec un thyristor (Tl, T 2, T 3) dont la cathode est reliée au point cxommun et dont la gâchette reçoit un signal de polarisation, les premier et deuxième thyristors étant à gâchette d'anode et le troisième (Tl) à gâchette de cathode, caractérisé en oe que chacun des premier et deuxième thyristors est associé à un transistor (TR 2, TR 3) d'amplification de courant de gâchette, l'émetteur de chaque transistor étant relié à la gâchette du thyristor correspondant et le collecteur de chaque transistor étant relié à un deuxième point czmmun (D) conuecté à la gâchette du troisième thyristor. 3 Circuit de protection selon 1 l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la base de chaque transistor et la gâchette du troisième thyristor sont reliées à des tensions de polarisation respectives. 4 Structure m Kmolithique incorporant les éléments du circuit de protection selon la revendication 1, réalisée à partir d'un substrat de silicium ( 20) de type N dont la face arrière correspond au point commun et dont la face avant ccmprend les diverses métallisations de liaison aux lignes, à la masse, et aux tensions de polarisation, le thyristor à gâchette d'anode (Tl) oeiprenant, à partir de la face arrière: une couche surdopée de type P ( 21), le substrat ( 20) correspordant à la gâchette d'anode, un caisson ( 22) de type P et, du cté de la face avant, une région ( 23) de type N percée de courts-circuits d'émetteur, reliée à une métallisation de cathode ( 24), et chaque thyristor à gâchette de cathode (T 2, T 3) oemprenant, à partir de la face arrière, une région ( 31) de type P, le substrat ( 20), un caisson ( 32) de type P correspcndant à la gâchette de cathode et une région ( 33) de type N munie de courts-circuits d'émetteur recouverte d'une métallisation de cathode ( 34), caractérisée en ce que chaque transistor d'amplifi- cation de gâchette (TR 1, TR 2) est foraé au voisinage du thyristor à gâchette d' anode et comp-re, à partir de la face avant, un caisson ( 41) de type P corresponant à sa base dans lequel est formée une région ( 42) de type N+ correspcndant à son émetteur et reliée par une métallisation ( 40) au caisson de gâclette du thyristor à gâchette de cathode correspondant, le collecteur de oe transistor correspodant au substrat et dorc à la région de gâchette d' anode du thyristor à gâchette d' anode, la faoe arrière du substrat, en regard du caisson de base du transistor consi- déré, comprenant essentiellement une région de type P ( 21).