Brevet FR2664741A1 — publié le 19920117

TRIAC SENSIBLE DANS LES QUATRE QUADRANTS La présente invention concerne les triacs. Les figures 1A à 1D rapellent la structure d'un triac et sont destinees à fixer la terminologie qui sera utilisée dans la présente demande. La figure 1A est une vue de dessus d'un triac, côté gâchette ; la figure 1B est une vue de dessous ; la figure 1C est une vue en coupe de la partie principale d'un triac selon la ligne C-C des figures 1A et 1B ; et la figure 1D est une vue en coupe de la partie de gâchette d'un triac selon la ligne D-D des figures 1A et LB. On appelle cathode K 1'électrode principale du triac située du côte gâchette et anode A l'électrode principale de oe triac situé sur la face opposée. Ces faces seront également appelées ci-aprés, respectivement, face supérieure et face inférieure. On notera que les appellations cathode et anode sont arbitraires. En effet, un triac est un composant de oommutation, normalement à l'état bloqué, et susceptible de laisser passer un courant entre cathode ou anode ou entre anode et cathode des qu un courant de gâchette circule par suite de l'application d'une différence de potentiel entre la gâchette et la cathode. Ainsi, on dit qu'un triac peut fonctionner dans 4 quadrants correspondant aux diverses polarités relative cathode/anode/ gâchette. Ces quadrants sont définis de la façon suivante quadrant I (++) : VK > O IGK > O quadrant 2 (±) : VK > O IGK quadrant 3 (--) : VAK quadrant 4 (-+) : VAK 0 Comme le montre la figure 1C, un triac est un dispositif intégrant deux thyristors tête-bêche. le premier thyristor, figurant dans la partie gauche de la figure a effectivement pour cathode la borne K et pour anode la borne A. le deuxième thyristor, figurant dans la partie droite de la figure a pour anode la borne K et pour cathode la borne A.Ce triac comprend une couche 11 de type N, généralement le substrat à partir duquel il est constitué, et, de part et d'autre de cette couche 11, des couds 12 et 13 de type P. A la surface de la couche 12, du côté du premier thyristor, est formée une région d'émetteur 14 de type N, munie classiquement de courts-circuits d'émetteur, c' est-à-dire de zones ou la région P 12 remonte vers la surface. A la surface de la couche 13, du côté du deuxième thyristor, est formée une région d'émetteur 15 de type N également munie de oourts-ciruuits d'émetteur. les triacs comprennent une région de gâche qui est usuellement ou bien centrale ou bien disposée dans un coin du triac. On s'intéressera ici aux triacs à gâchette te en coin. CarmE le montrent les figures 1A, 1B et 1C, la région de gâchette est disposée, du côté de la face supérieure, dans une partie où la couche 14 est interrompue. Dans cette région de gâchette, est formée une région 16 de type N disjointe de la région 14. la métallisation de gâchette G est à cheval sur cette région 16 et sur une partie de la couche 12.Du oeté de la face inférieure, la région de gâchette se trouve au dessus d'un prolongement 17 de la région 15 de type N. On désignera également ci-après par P1 la partie de la cauche 12 oerrt aux thyristors principaux, située sous l'électrode K, par P2 la partie de cette couche 12 située sous la gâchette, par P3 la touche 13, par Ni la région 14, par N2 la région 16, par N3 la partie de la région 15 correspondant aux éleodes principales, et par N4 le proloegment 17 de la région 15. Dans les figures 1A et 1B, les petits carrés figurent des courts-circuits d'émetteur. Pour qu'un triac soit capable de supporter des tensions relativement importantes et soit fiable dans le temps, il faut veiller, comme cela est connu, à la qualité des terminaisons des jonctions supportant la tension, ctest-à dire principalement des jonctions entre la couche 11 et les catches 12 et 13. Pour cela, on adopte par exemple une structure du type à caisson, gui sera décrite ci-après en relation avec les figures 2A et 2B. Pour un utilisateur, il est souhaitable qu'un triac fonctionne de la même faoon quelles que soient les polarités de la tension à commuter entre anode et cathode et quelle que soit la polarité relative de la gâchette par rapport à la cathode. Or, il s'avère que pour les triacs à caisson, la sensibilité est particulierement mauvaise dans le quadrant 4. Un objet de la présente invention est d'aééliorer cette sensibilité dans le quatrième quadrant des triacs à caisson. Pour cela, les ieeenteurs ont effectué une étude théo- rique du fonctionnement à i la mise en conduction, et proposent un triac à gâchette en coin et à isolement latéral par caisson dopé de type P, sensible dans les quatre quadrants, comprenant de part et d'autre d'un substrat de type N des première et deuxième cou- ches de type P ; une première région de type N dans la première région de type P et une deuxième région de type N dans la deuxième région de type P, les deux régions de type N étant sensiblement complémentaires en projection; une zone de gâchette formée sur une partie de la première région de type P dans laquelle a été localement diffusée une région N sous laquelle on trouve successivement ladite première akhe de type P, le substrat de type N, ladite deuxième couche de type P et un prolongement de la deuxième région de type N. Ce triac canprend des mqyens pour interrompre la continuité électrique de la deuxième couche de type P au niveau du contour de la deuxième couche de type N adjacent au caisson dans la région de gâchette. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la discontinuité est obtenue par inasquage lors de la formation de la deuxième couche de type P pour éviter la pénétration de dopants au niveau dudit contour. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la discontinuité est obtenue par formation d'un sillon traversant la deuxième couche de type P et atteignant le substrat au niveau dudit contour. Avec cette strct, l'écart entre les courants de gâchette nécessaires dans chacun des quadrants est au plus dans un rapport de 1 à 5 alors que, dans l'art antérieur, on trouvait des rapports supérieurs à 10 entre le quadrant le plus sensible et le quadrant le moins sensible, c'est-à-dire les quadrants 1 et 4. Ces objets, car'éristiques 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 lA à 1D représentent respectivement une vue de dessus, une vue de dessous, une vue en coupe partielle selon la ligne C-C et une vue en coupe partielle selon la ligne OD d'un triac classique; ; les figures 2A et 2B représentent resptiveeent une vue en coupe sXnatique et une vue de dessous partielle d'un triac classique de type à caisson les figures 3A et 3B représentent respectivement une vue en coupe schématique et une vue de dessous partielle d'un triac à caisson modifié selon un premier mode de réalisation de la présente invention; et les figures 4A et 4B représentent respectivement une vue en coupe schématique et une vue de dessous partielle d'un triac à caisson modifié selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention. La coupe de la figure 2A oerresnd à la ligne de coupe F-F des figures 1A et 1B, c'est-à-dire que la diffusion de gâchette N2 n'y apparaît pas. En effet elle ne joue pas de role actif pour le déclendhent dans le quadrant 4. Dans ces diverses figures, de mêmes références désignent de mêmes éléments, couches et régions. Conformément à l'usage dans le domaine de la représentation des nçosants semiconducteurs, oes figures ne sont pas à l'échelle ni à l'intérieur d'une figure dmee ni d'une figure à l'autre. Au contraire, des dimensions ont été arbitrairement dilatées pour faciliter la lisibilité et le tracé des figures. En pratique, an se souviendra qu'un triac présente une très faible épaisseur (de l'ordre de 0,3 milimètre) par rapport à ses dimensions latérales (de l'ordre de quelques millimètres, ou plus). Dans la figure 2A, on a illustré un bord d'un triac à caisson, du oeté de la gâchette. La figure 2B représente le coin de gâchette vu de la face inférieure. La jonction entre la région P2 de la couche 12 et le substrat 11 remonte à la surface du substrat et est surmontée d'une couche de passivation 30. Cette stucture ne constitue qu'un exemple de réalisation; dans d'autres réalisations, il existe un sillon dans la face supérieure à la limite de la couche 12 et la jonction sususntionnee débouche dans ce sillon. Le bord du coppoant est constitué par deux diffusions profondes de type P, 31, qui entourent complètement le composant et qui forment continuité dans la partie inférieure du composant avec la cruche 13 (P3). L'expérience montre que les triacs à caisson présentent une très mauvaise sensibilité dans le quatrième quadrant (anode negative par rapport à la cathode et courant de gâchette IGK positif). Par exemple, pour obtenir une mise en conduction, il faut appliquer un carrant de 1 mA dans le premier quadrant et de 11,5 mA dans le quatrième quadrant. les inventeurs se sont attachés à analyser ce problème. Dans le quatrième quadrant, la cathode est positive par rapport à l'anode et la jonction bloquante est la jonction N-P3 entre les couches 11 et 13, c'est-à-dire que c'est le thyristor apparaissant dans la partie droite de la figure 1C qui doit être mis en conduction. Quand une tension est appliquée entre la gâchette et la cathode, un courant de trous circule selon la fleche 41 de la gâchette vers la métallisation de cathode K en passant par les trous de courts circuits d'émetteur, c'est-à dire les remontées de la abouche P1 en contact avec l'élecrode de cathode. Il résulte de la circulation du courant dans la partie de couche Pî située sous la couche N1 l'apparition d'une différence de potentiel entre la région N1 et la région P1. La jonction Pl-Nl devient alors passante et des électrons sont injectés de la zone N1 dans la zone P1 (flèche 42).Certains de ces éleSns sont envoyés dans la couche 11 et servent de courant de base au transistor constitué par les couches P2-N-P3. Une circulation de trous apparaît acaw: de la gâchette vers l'anode, selon les plèbes 43-46 (voir aussi la figure 2B). Dans la trajet 43, on considère que les trous se déplacent verticallement. Dans les trajets 44-46, ils se déplacent dans la partie étranglée de la couche P3 entre la région N4 et le substrat 11 pour aller ou bien vers la couche P3 proprement dite ou bien vers la région de caisson 31.Cette circulation de trous provoque l'apparition d'une différence de potentiel entre les couches N4 et P3 et le thyristor P2-N-P3-N4 (ou N3) s'amorce. On voit que l'amorçage du triac dans le quatrième quadrant est notamnent lié à la circulation des trous dans la région désignée par les floches 44-46. Par contre, dans le premier quadrant, la mise en conduction de la jonction Pl-Nl détermine à elle seule le déclenchement du triac. Selon la demanderesse, la très faible sensibilité du triac à caisson dans le quatrième quadrant provient du fait que, étant donné que trois chemins, ou plus exXant un chemin dans une surface plus étendue, sont disnibles dans le cas du quatrième quadrant, le courant de gâchette propre à entraîner une chute de tension permettant d'amorcer en direct la jonction P3-N4 doit être beaucoup plus important que le oeuvrant de gâchette permettant d'amorcer la jonction Pl-Nl. En partant de cette analyse, la danariesse propose, pour pallier oet inoonvnient, d'interrompre la continuité électrique entre la partie de la couche 13 de type P située au-dessus du prolongement 17 (N4) de la région 15 (N3) et le caisson, de sorte que seul le chemin 44 soit possible pour les trous allant de la gâchette à l'anode pendant l'amorçage dans le quadrant 4. On supprime ainsi la possibilité de cheminement par les chemins 45 et 46 (voir figures 2A et 2B) et l'on peut donc obtenir, pour un azurant de gâchette environ 3 fois plus faible, une mise en conduction de la jonction directe P3-N4. les figures 3A-3B et 4A-4B, correspondent à deux modes de réalisation de la présente invention, illustrés en coupe et en vue de dessous, selon le même mode de représentation que les figures 2A-2B. Dans le mode de réalisation des figures 3A-3B, la discontinuité électrique est obtenue lors de la formation de la abouche 13 en créant une interruption de oette aouche 13 au niveau du coin de gâchette de la couche inférieure par un masque en L 50 épousant la frontière entre la région N4 et le caisson 31. Ce masque est ensuite utilisé carme une partie du masque de délimitation de la formation de la région N4. Dans la vue de dessous de la figure 4B, on n'a pas représenté le masque 50 mais les limites des diverses aoudhes. Dans le mode de réalisation des figures 4A-4B, la discontinuité électrique est obtenue en formant les diverses oeucees de la même façon qu'en figures 2A-2B, mais en creusant ensuite un sillon en L 51 épousant la frontière entre la région N4 et le caisson 31. Ce sillon est ensuite classiquement rempli d'un matériau de passivation tel qu'un verre. En comparant les résultats obtenus avec les stuaLs des figures 3 et 4 aux résultats obtenus avec la strcct classique de la figure 2, on constate que, si dans un triac oepont à la figure 2 on a des courants de seuil de gâchette te de 1 et de 11 mA, respectivement, dans les quadrants 1 et 4, avec les modes de réalisation selon la présente invention, an obtient des courants de seuil de gâchette respectivement de 1 et de 4,5 mA dans les quadrants 1 et 4. REVENDICATIONS 1. Triac à gâchette en coin et à isolement latéral par caisson dopé de type P, sensible dans les quatre quadrants, camprenant: de part et d'autre d'un substrat de type N (11) des première (12) et deuxième (13) cocues de type P, une première région de type N (14) dans la première région de type P (12) et une deuxième région de type N (15) dans la deuxième région de type P (13), les deux régions de type N étant sensiblement complémentaire en projection, une zone de gâchette formée sur une partie de la première région de type P dans laquelle a été localement diffusée une région N (16) sous laquelle on trouve successivement ladite première couche de type P (12), le substrat de type N (11), ladite deuxième abouche de type P (13) et un prolongement (17) de la deuxième région de type N, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour interrompre la continuité électrique de la deuxième arche de type P au niveau du contour de la deuxième couche de type N adjacent au caisson dans la région de g chette. 2. Trias selon la revendication 1, caractérisé en ce que la discontinuité est obtenue par masquage lors de la formation de la deuxième couche de type P pour éviter la pénétration de dopants au niveau dudit contour. 3. Triac selon la reeendioetion 2, caractérisé en ce que la discontinuité est obtenue par formation d'un sillon traversant la deuxième couche de type P et atteignant le substrat au niveau dudit contour.