Brevet FR2688941A1 — publié le 19930924

INTERRUPTEUR DE TENSION ALTERNATIVE À DECLENCHEMENT SUR UNE ALTERNANCE DÉTERMINÉE ET CONDUCTION PAR PÉRIODE La présente invention concerne le domaine des inter- rupteurs de courant alternatif moyenne ou forte puissance Plus particulièrement, la présente invention vise à la réalisation sous forme monolithique d'un interrupteur de tension alternative susceptible d'être mis en conduction seulement au cours d'une alternance de polarité déterminée et laissant passer automati- quement l'alternance suivante. L'interrupteur de courant alternatif le plus répandu actuellement est le triac dont la mise en conduction est déclen- chée par un signal appliqué entre sa gâchette et l'une de ses bornes principales Cet interrupteur se rebloque à chaque pas- sage à zéro du courant et il convient de le commander à chaque alternance. Le fonctionnement d'un triac est illustré schémati- quement en relation avec les figures l A à l D o la figure l A représente l'allure de la tension du secteur, la figure 1 B des impulsions de commande Ig fournies à la gâchette du triac, la figure 1 C le courant traversant le triac, et la figure i D la tension aux bornes du triac Pour simplifier la représentation, on a supposé dans cet exemple qu'il n'y avait pas de déphasage entre la tension et le courant. On voit que si une impulsion de commande Ig est appliquée pendant une alternance positive ou négative de la tension du réseau, le triac entre en conduction puisqu'il se rebloque à chaque passage à zéro du courant pour rester bloqué si aucune impulsion de commande ne lui est appliquée. Un tel composant s'avère efficace pour faire de la régulation de puissance à commande en contrôle de phase On peut toutefois noter un certain nombre d'inconvénients liés à la structure même du triac et à certaines applications. La structure géométrique d'un triac est complexe, en particulier au niveau des zones correspondant à la région de gâchette, ce qui rend le triac difficile à fabriquer. Cette structure géométrique complexe limite les performances du triac qui a notamment généralement une sensibi- lité de commande médiocre et on préfère dans certaines applica- tions o l'on recherche une grande sensibilité lui substituer un thyristor associé à un pont redresseur, c'est-à-dire que l'on renonce à utiliser un composant monolithique. Dans certaines applications, par exemple lorsque l'interrupteur est en série avec un transformateur, il est préférable après une phase de repos de réamorcer le triac lors d'une alternance de polarité opposée à celle de la dernière phase de conduction pour éviter des inconvénients de surappel de courant produits par des phénomènes de magnétisation/démagné- tisation Ceci oblige à associer au triac des circuits de commande complexes gardant en mémoire la polarité de la dernière alternance de conduction et autorisant un déclenchement seule- ment lors d'une alternance de polarité opposée. Pour pallier ce dernier inconvénient, un objet de la présente invention est de réaliser un composant monolithique présentant les caractéristiques illustrées en figures 2 A à 2 D o la figure 2 A, comme la figure l A, représente la tension secteur, la figure 1 B représente l'impulsion de commande Ig appliquée sur la gâchette du composant, et les figures 2 C et 2 D représentent respectivement le courant I à travers le composant et la tension V à ses bornes Le but recherché est qu'une impulsion de comman- de Igi survenant pendant une alternance de polarité donnée, par exemple positive, de la tension du secteur produise la mise en conduction de l'interrupteur pendant la fin de l'alternance en cours et pendant toute l'alternance suivante tandis qu'une impulsion de commande Ig 2 survenant pendant une alternance de polarité opposée de la tension du secteur n'ait aucun effet sur la mise en conduction de l'interrupteur. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel composant monolithique de structure géométrique simple. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel composant monolithique pouvant présenter des caractéris- tiques souhaitées, par exemple de sensibilité de commande, de tension de claquage en direct et en inverse, et de tenue aux déclenchements parasites en d I/d T et d V/d T. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un composant semiconducteur monolithique constituant un interrupteur de tension alternative comprenant des première et deuxième bornes principales et une borne de gâchette Entre les première et deuxième bornes principales un premier thyristor est disposé en anti- parallèle avec une première diode et en série avec un deuxième thyristor en anti-parallèle avec une deuxième diode, le premier thyristor comprenant une borne de commande reliée à sa zone de gâchette Le deuxième thyristor et la deu- xième diode sont réalisés verticalement dans un même substrat et leurs zones de conduction sont étroitement imbriquées, d'o il résulte qu'une inversion de polarité suivant une période de conduction de la deuxième diode entraîne une mise en conduction du deuxième thyristor. Cet interrupteur de tension alternative réalisé sous forme de composant monolithique à partir d'un substrat semi- conducteur faiblement dopé d'un premier type de conductivité, comprend à partir de sa surface supérieure des première et deuxième régions séparées du deuxième type de conductivité Une partie de la première région est solidaire d'une électrode de gâchette et comprend une diffusion d'une troisième région du premier type de conductivité La troisième région et une partie 5 de la première région sont recouvertes d'une métallisation La face inférieure du composant comprend en-dessous de la troisième région une quatrième région du deuxième type de conductivité et en-dessous du reste de la deuxième région une cinquième région du premier type de conductivité La deuxième région comprend des zones espacées du premier type de conductivité et la face infé- rieure du substrat comprend, en face de la deuxième région, des sixièmes et septièmes régions espacées et alternées des premier et deuxième type de conductivité, ètte faoe inférieure étant recouverte d'une métallisation de même que la surfaoe de la deu- xième région et desdites zones espacées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les septièmes régions sont intercalées entre les projections desdites zones espacées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une huitième région du premier type de conductivité à niveau de dopage élevé devant èlui du substrat est interposée entre les première et deuxième régions. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une neuvième région du premier type de conductivité à niveau de dopage élevé devant celui du substrat est disposée à la péri- phérie de la faoe supérieure du substrat. 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 l A à 1 D sont des chronogrammes illustrant le fonctionnement d'un triac; les figures 2 A à 2 D sont des chronogrammes illustrant le fonctionnement souhaité d'un composant selon la présente invention; la figure 3 représente un schéma équivalent d'un composant selon la présente invention; la figure 4 représente une vue en coupe schématique, non à l'échelle, d'un composant selon la présente invention; et la figure 5 représente un schéma équivalent plus détaillé d'un composant selon la présente invention. Comme le représente la figure 3, la présente invention vise à réaliser un composant semiconducteur monolithique correspondant à un premier thyristor Thl classique muni d'une électrode de gâchette G, en anti- parallèle avec une diode Dl, cet ensemble étant en série avec un deuxième thyristor Th 2 en anti-parallèle avec une diode D 2, le composant étant connecté entre des bornes A 2 et Ai Ainsi, ce composant comprend deux bornes principales A 2 et Al et une borne de gâchette G Le thyristor Th 2 est tel que sa conduction est provoquée de façon automatique lors d'une alternance quand la diode D 2 a été conductrice pendant l'alternance précédente Ainsi, si la borne Ai est positive par rapport à la borne A 2, le courant est susceptible de passer entre les bornes Ai et A 2 par la diode D 2 et le thyristor Thl à condition que le transistor Thl ait reçu une impulsion de commande de gâchette Quand la borne A 2 est positive par rapport à la borne Ai, le courant passe par la diode Dl et le transistor Th 2 à condition que la diode D 2 ait été conductrice lors de l'alternance précédente. La figure 4 est une vue en coupe schématique d'un exemple de réalisation d'un composant selon la présente inven- tion. On reconnaît dans la partie droite de la figure 4 la structure classique d'un thyristor à diode anti-parallèle La partie gauche de la figure correspond aux composants D 2, Th 2 comme cela sera exposé ci-après. On va d'abord décrire la partie droite de la structure du composant Le composant est constitué à partir d'un substrat Ni de type N dans la surface supérieure duquel est diffusée une couche P 2 de type P constituant la couche de gâchette du thyris- tor et la couche d'anode de la diode Dl Une région N 2 de type N est diffusée dans la région P 2 pour former la cathode du thyris- tor On a représenté de façon classique des zones de la région P 2 remontant à travers la couche N 2 jusqu'à la surface du compo- sant et constituant ce que l'on appelle classiquement des courts-circuits d'émetteur De façon connue, ces courts-circuits d'émetteur sont de très petites dimensions et ont par exemple un diamètre d'une cinquantaine de micromètres La partie droite de la région P 2 ne comprend pas de région N 2 diffusée et correspond à 1 ' anode de la diode Dl Sous la partie de thyristor de la région P 2 (celle o est diffusée la région N 2), est formée à partir de la face inférieure du composant une région P 3 de type P correspondant à l'anode du thryristor Thl Sous la partie de diode de la région P 2 (celle o aucune diffusion de type N n'est effectuée, autre que la zone de gâchette), est formée à partir de la face inférieure du substrat une région N 3 de type N cor- respondant à la cathode de la diode Dl De préférence, la région P 3 déborde vers l'extérieur par rapport à la projection de la région N 2 pour éviter toute interférence entre la conduction de la diode Dl et celle du thyristor Thl Cette structure ne sera pas décrite plus en détail car elle correspond à la structure classique d'un thyristor à diode anti-parallèle Une métalli- sation A 2 est déposée sur les couches N 2 et P 2 et la face infé- rieure est métallisée (M) pour, notamment, contacter les régions P 3 et N 3. Dans la partie gauche de la figure 4, on a représenté une structure constituée de façon imbriquée de thyristors et de diodes verticales. Dans la surface supérieure du substrat Nl est formée une région P 4, réalisée en même temps que la région P 2 Dans cette région P 4 sont formées de façon nettement espacée des régions N 4 de type N, réalisée en même temps que la région N 2 A partir de la face inférieure du substrat sont formées de façon alternée des régions P 5 et N 5 De préférence, bien que cela ne soit pas obligatoire, les régions N 5 se trouvent en projection sous les régions N 4 Une métallisation Ai est formée sur l'ensemble de la région P 4 et des régions incorporées N 4 Les 5 régions P 5 et N 5 sont solidaires de la métallisation M de face inférieure Ainsi, entre les métallisations Ai et M on trouve des thyristors élémentaires th 2 constitués des couches N 4-P 4-N 1-P 5 dont l'électrode Ai forme la cathode et dont la métallisation M forme l'anode On trouve également des diodes élémentaires d 2 constituées des couches P 4-Nl-N 5 dont l'élec- trode Ai forme l'anode et la métallisation M la cathode. Quand l'électrode Ai est positive par rapport à l'électrode A 2 et que le thyristor Thl est commandé à l'état passant, un courant circule dans les diodes élémentaires d 2, établissant des zones de conduction figurées en pointillés dans la partie gauche de la figure. Au moment o la tension s'inverse aux bornes du compo- sant, le courant va s'annuler Cependant les charges injectées durant la conduction précédente des diodes d 2 au niveau des thy- ristors élémentaires th 2, ne disparaissent pas instantanément, en particulier celles en excès dans la couche Ni faiblement do- pée Ainsi, les petits thyristors th 2 qui se trouvent polarisés en direct voient encore des charges dans leur couche Ni Ces charges jouent le rôle d'un courant de gâchette et provoquent l'amorçage naturel des transistors th 2 La conduction s'établit donc de A 2 vers Ai à travers la diode Dl et les thyristors th 2 sans intervention extérieure Cette conduction se poursuit jus- qu'à ae que le courant s'annule entre les bornes Al et A 2 Par contre, le thyristor Thl qui, de façon classique, est nettement séparé dans sa structure de la diode Dl ne s'amorce pas de façon automatique puisque la couche Ni ne contient pas de porteurs sous la région de cathode de ce thyristor. La figure 5 représente un schéma équivalent du circuit de la figure 4, de même type que celui de la figure 3 Dans cette figure, on a représenté les diodes d 2 et les thyristors th 2 de façon élémentaire. La présente invention a été décrite de façon extrême- ment schématique L'homme de l'art saura adapter les niveaux de dopage des diverses couches à ses besoins spécifiques et diver- ses variantes de structure lui apparaîtront Par exemple, on pourra prévoir, comme cela est représenté en figure 4 des régions N 6 de type N entre les régions P 2 et P 4 et à la péri- phérie supérieure de composant de même qu'une région N 7 à la périphérie inférieure de celui-ci. En ce qui concerne la réalisation du thyristor Thl et de la diode Dl, tous les perfectionnements habituels connus dans la technique pourront être utilisés Par exemple, le thyristor pourra être du type à amplification de gâchette. Pour que le composant selon la présente invention ait des caractéristiques symétriques de passage de courant dans les deux sens de polarisation, il convient d'harmoniser les surfaces de silicium Si on appelle 51 la surface de la région N 2 (en oubliant les courts-circuits d'émetteur dont la surface est négligeable), et 52 la surface de la région P 2 correspondant à la diode Dl (cette surface 52 étant généralement de l'ordre de la moitié de la surface Si), la surface d'ensemble des régions N 4 sera choisie sensiblement égale à Si, les affleurements répartis de la région P 4 ayant une surface sensiblement égale à la surface 52. Diverses formes géométriques pourront être adoptées pour le composant selon l'invention Par exemple, les régions N 4 pourront avoir, en vue de dessus, la forme de bandes intercalées avec des bandes de la région P 4. REVENDICATIONS 1 Interrupteur de tension alternative comprenant des première et deuxième bornes principales (Al, A 2) et une borne de gâchette (G), comprenant entre les première et deuxième bornes principales un premier thyristor (Thl) en anti-parallèle avec une première diode (Dl) et en série avec un deuxième thyristor (Th 2) en anti-parallèle avec une deuxième diode (D 2), le premier thyristor comprenant une borne de commande (G) reliée à sa zone de gâchette, caractérisé en ce que le deuxième thyristor et la deuxième diode sont réalisés verticalement dans un même substrat et en ce que leurs zones de conduction sont étroitement imbri- quées, d'o il résulte qu'une inversion de polarité suivant une période de conduction de la deuxième diode entraîne une mise en conduction du deuxième thyristor. 2 Interrupteur de tension alternative réalisé sous forme de composant monolithique à partir d'un substrat semi- conducteur (Ni) faiblement dopé d'un premier type de conducti- vité, caractérisé en ce qu'il comprend à partir de sa surface supérieure des première (P 2) et deuxième (P 4) régions séparées du deuxième type de conductivité, une partie de la première région étant solidaire d'une d'électrode de gâchette (G) et comprenant une diffusion d'une troisième région du premier type de conductivité (N 2), ladite troisième région et une partie de la première région étant recouvertes d'une métallisation (A 2), la face inférieure du composant comprenant en-dessous de la troisième région une quatrième région (P 3) du deuxième type de conductivité et en-dessous du reste de la deuxième région une cinquième région (N 3) du premier type de conductivité, la deu- xième région (P 4) comprenant des zones espacées (N 4) du premier type de conductivité, et la face inférieure du substrat compre- nant, en face de la deuxième région, des sixièmes (N 5) et septièmes (P 5) régions espacées et alternées des premier et deuxième type de conductivité, cette face inférieure étant recouverte d'une métallisation (M) de même que la surface de la deuxième région (P 4) et desdites zones espacées (N 4). 3 Interrupteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les septièmes régions (P 5) sont intercalées entre les projections desdites zones espacées (N 4). 4 Interrupteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une huitième région (N 6) du premier type de conduc- tivité à niveau de dopage élevé devant celui du substrat est interposée entre les première et deuxième régions (P 2 et P 4).10 5 Interrupteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une neuvième région (N 6) du premier type de conduc- tivité à niveau de dopage élevé devant celui du substrat est disposée à la périphérie de la face supérieure du substrat.