Brevet FR2683946A1 — publié le 19930521

l COMPOSANT SEMICONDUCTEUR DE PROTECTION CONTRE DES SURTENSIONS La présente invention concerne les composants semi- conducteurs de protection contre des surtensions, qui sont des éléments semiconducteurs qui deviennent passants dès que la tension à leurs bornes dépasse un seuil prédéterminé. On considérera ici plus particulièrement des compo- sants du type thyristor sans gâchette (pour une protection uni- directionnelle) ou du type triac sans gâchette (pour une protec- tion bidirectionnelle), c'est-à-dire des structures à quatre couches semiconductrices de types de conductivité alternés NPNP Dans ces composants sans gâchette, la mise en conduction s'effectue par mise en avalanche locale de la jonction entre les couches centrales de la structure, cette avalanche se produisant généralement d'abord dans une zone locale puis s'étendant pro- gressivement sur tout le volume du composant. Comme le représente la figure l A, un tel composant est constitué essentiellement par une superposition de couches semi- conductrices de types de conductivité alternés qui sont respec- tivement, entre une première face principale et une deuxième face principale, une couche de cathode Ni de type N, une couche de gâchette Pl de type P, une couche centrale N 2 de type N, et une couche d' anode P 2 de type P Les couches de cathode et d'anode sont respectivement revêtues de métallisations Ml et M 2 En général, la structure comporte des trous de "court- circuit" CC répartis sous la métallisation de cathode, trous par lesquels la couche de gâchette Pl remonte à travers la couche de cathode Ni jusqu'à la métallisation de cathode Ces trous de court-circuit sont parfois appelés courts-circuits d'émetteurs. Les figures 1 B et 1 C représentent des exemples de vues de dessus du composant de la figure l A en l'absence de la métal- lisation Mi pour faire apparaître les courts-circuits CC Ces figures représentent deux dispositions classiques de trous de court-circuit, respectivement en carré et en triangle ou en quinquonce On caractérise généralement ès trous par la dis- tance D entre deux trous adjacents (en supposant que tous les trous sont équidistants) et par le diamètre d de chaque trou (en supposant que tous les trous ont le même diamètre). Par ailleurs, on notera qu'à partir d'un composant de protection unidirectionnelle du type thyristor sans gâchette, tel qu'illustré en figure l A, l'homme de l' art sait constituer un composant de protection bidirectionnelle du type triac sans gâchette en associant tête-bêche dans une même structure monoli- thique deux thyristors sans gâchette tels que celui de la figure l A. On notera en outre que les figures l A, l B et 1 C sont des vues partielles et ne représentent notamment pas les bords du composant sur lesquels les dispositions habituelles seront prises au niveau des zones de découpe pour assurer les tenues en tension recherchées. Les figures 2 et 3 représentent des courbes caracté- ristiques d'un composant de protection classique du type thyris- tor sans gâchette Ces courbes correspondent à des composants unidirectionnels Les caractéristiques de composants bidirec- tionnels s'en déduisent immédiatement par symétrie par rapport à l'origine. La figure 2 représente l'allure du courant I en fonc- tion de la tension V d'un thyristor sans gâchette classique. Tant que la tension appliquée reste inférieure à une valeur de seuil VBR, le dispositif est bloquant et aucun courant ne cir- cule Quand une surtension apparaît et que la tension augmente entre la valeur VBR et une valeur voisine VBO, du courant commence à circuler dans le composant en suivant une caractéris- tique A Quand la tension appliquée dépasse V Ba, on passe sur une courbe caractéristique B et le point de fonctionnement se fixe à une valeur de tension faible VON et à un courant ION déterminé par les caractéristiques de l'alimentation et du circuit Ensuite, quand la surtension disparaît, le courant dans le composant décroît vers une valeur de courant de maintien IH puis, quand le courant devient inférieur à cette valeur IH, le composant se bloque à nouveau. La caractéristique illustrée en figure 2 est illustra- tive des phénomènes statiques La figure 3 représente l'allure du courant I et de la tension V en fonction du temps dans un composant du type thyristor sans gâchette soumis à une surten- sion La tension passe très rapidement d'une valeur sensiblement nulle à la valeur VBR Puis, les phénomènes dynamiques font que la tension croit au-delà de la valeur VBO avant de redes- cendre vers cette valeur puis vers la valeur VON La crois- sance du courant se produit avec une pente initiale sensiblement linéaire désignée par d I/dt Bien que les courbes de courant et de tension soient superposées, elles ne sont pas tracées selon la même échelle temporelle; par exemple, la valeur VBO sera atteinte en une durée inférieure à une microseconde, tandis que la durée tî au bout de laquelle le courant atteint une valeur maximale IPP peut être de l'ordre de 10 microsecondes et que la durée t 2 au bout de laquelle le courant a décru à la valeur IPP/2 peut être de l'ordre de 100 microsecondes Parmi les caractéristiques importantes d'un composant de protection, on peut mentionner: l'écart entre les valeurs VBR et VBO, qui fixe la précision de déclenchement du dispositif; le dépassement dynamique de la valeur VBO qui doit être aussi réduit que possible; la tenue en d I/dt qui doit être aussi élevée que possible, c'est-à-dire que le composant doit pouvoir supporter au démarrage des densités de courant élevées; la valeur du courant de maintien IH qui doit être relativement élevée En effet, dans un composant de protection, on souhaite que, une fois que la surtension a disparu, le cir- cuit couplé au composant de protection se remette à fonctionner aussi vite que possible Si la valeur du courant de maintien IH est trop faible, le composant de protection restera passant alors que la surtension s'est terminée. Il est connu que la densité des trous de court- circuit a une influence sur ces divers paramètres Notamment, si cette densité augmente, on obtient un effet favorable à savoir que le courant de maintien IH augmente et des effets défavo- rables en ce que les valeurs de VBO statiques et dynamiques augmentent et que la tenue en d I/dt diminue. Ainsi, dans l'art antérieur, on a été amené à choisir des valeurs moyennes de densité de trous de court-circuit pour obtenir un compromis satisfaisant entre ces divers effets. Par ailleurs, dans le domaine des thyristors ou triacs munis d'une gâchette de commande, on a été amené à modifier la densité des courts-circuits au voisinage de la zone de gâchette. Un objet de la présente invention est de prévoir un composant de protection du type thyristor ou triac sans gâchette présentant des caractéristiques améliorées en ce qui concerne la réduction de la valeur VBO, tant en statique qu'en dynamique, sans diminuer la valeur IH* Pour atteindre cet objet, la présente invention pré- voit un composant de protection du type thyristor ou triac sans gâchette à trous de court-circuit, comprenant, en surface, une première zone ayant une première densité de trous de court- circuit et une deuxième zone ayant une deuxième densité de trous de court-circuit plus faible que la première. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ce composant comprend en outre une zone surdopée à l'interface entre sa couche centrale et sa couche de gâchette en regard de la deuxième zone. Selon un mode de réalisation de la présente invention, tous les trous de court-circuit ont la même dimension et sont plus écartés dans la deuxième zone. Selon un mode de réalisation de la présente invention, tous les trous de court-circuit sont au même pas et sont de plus petite dimension dans la deuxième zone. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ce composant comprend une première structure de trous de court- circuit à pas régulier et des trous de court-circuit supplémen- taires dans la première zone, ces trous supplémentaires ayant un plus faible diamètre que les premiers. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la deuxième zone est disposée sensiblement au centre de la première. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 A à 3, destinées à rappeler l'état de la technique et à faire ressortir le problème posé, ont été décri- tes précédemment; la figure 4 A représente une vue en coupe schématique d'un composant de protection selon la présente invention; la figure 4 B est une vue de dessus partielle du compo- sant de la figure 4 A qui en est une vue en coupe selon la ligne A-A; et la figure 5 représente une variante de réalisation de la présente invention. Dans ces diverses figures, de mêmes notations dési- gnent des éléments identiques ou analogues En outre, comme cela est classique dans le domaine de la représentation des struc- tures semiconductrices, les diverses vues en coupe ou de dessus des figures l A à 1 C et 4 A à 5 ne sont pas tracées à l'échelle, les diverses épaisseurs et étendues de couches étant arbitraire- ment dilatées pour améliorer la lisibilité des figures. Comme le représentent les figures 4 A et 4 B, la pré- sente invention concerne un composant de protection du type thyristor sans gâchette, de façon générale analogue à celui illustré en figures l A et 1 B Dans ce composant, on prévoit deux zones distinctes en surface dans lesquelles les densités de trous de court-circuit sont différentes Dans la zone 1, la den- sité de trous de court-circuit CC 1 est relativement élevée et dans la zone 2, elle est plus faible De préférence, cette zone 2 est une zone centrale du dispositif. La demanderesse a constaté que ces deux zones influent de façon séparée sur les caractéristiques susmentionnées C'est la zone à faible densité de trous de court-circuit (CC 2) qui fixe essentiellement les paramètres de mise en conduction du composant et donc qui permet de réduire les valeurs de VBO en statique et en dynamique (on obtiendra la caractéristique correspondant à la valeur VBO 2 illustrée en figure 2) Par contre, c'est la zone à plus forte densité de trous de court- circuit (C Cl) qui déterminera l'ouverture du composant et donc qui fixera une valeur plus élevée de IH* On obtient donc avec la présente invention une réduction des valeurs de VBO en sta- tique et en dynamique tout en conservant un courant de maintien IH identique à celui d'une structure standard. En figure 4 B, on a représenté un mode de réalisation de l'invention dans lequel les trous de court-circuit ont tous le même diamètre d et sont espacés d'une distance DI dans la zone 1 et d'une distance D 2, supérieure à Dl, dans la zone 2 dans une configuration similaire à èlle de la figure 1 B dans laquelle les trous sont agencés selon un motif carré Ils pourraient également comme dans le cas de la figure 1 C être agencés selon un motif triangulaire. L'homme de l' art pourra prévoir diverses variantes de réalisation de l'invention, par exemple des trous dans la zone 2 au même pas que ceux de la zone 1 mais de plus petit diamètre; ou bien des trous au même pas avec des trous supplémentaires dans la zone 1, éventuellement de plus petit diamètre Par ailleurs, les trous de court-circuit ne sont pas nécessairement circulaires. La présente invention peut également se combiner avec divers perfectionnements connus de structures de thyristor sans gâchette Par exemple, on pourra prévoir comme oela est repré- senté en figure 5 une zone de claquage préférentiel obtenue par une région Ns disposée à l'interface entre les régions Pl et N 2 Dans ce cas, oette région N+ sera disposée dans la zone 2 o la densité de trous de court-circuit est plus faible Alors, l'amorçage se faisant déjà en volume au voisinage de la région N+, la présente invention contribuera, pour un courant de main- tien donné, à améliorer la tenue en énergie d'amorçage en rédui- sant la valeur de VBO en statique et dynamique et le courant IBJ correspondant Ceci est d'autant plus important que des surtensions susceptibles d'être appliquées sont courtes et donc que d I/dt et d V/dt sont importants. REVENDICATIONS 1 Composant de protection du type thyristor ou triac sans gâchette à trous de court-circuit, caractérisé en ce qu'il comprend, en surface, une première zone ayant une première den- sité de trous de court-circuit (C Cl) et une deuxième zone ayant une deuxième densité de trous de court-circuit (CC 2) plus faible que la première. 2 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une zone surdopée à l'interface entre sa couche centrale et sa couche de gâchette en regard de la deuxième zone. 3 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que tous les trous de court-circuit ont la même dimension et sont plus écartés dans la deuxième zone. 4 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que tous les trous de court-circuit sont au même pas et sont de plus petite dimension dans la deuxième zone. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une première structure de trous de court- circuit à pas régulier et des trous de court-circuit supplémen- taires dans la première zone, ces trous supplémentaires ayant un plus faible diamètre que les premiers. 6 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième zone est disposée sensiblement au oentre de la première.