Brevet FR2697674A1 — publié le 19940506

THYRISTOR ET ASSEMBLAGE DE THYRISTORS À CATHODE COMMUNE La présente invention concerne une structure de thy- ristor et un mode d'assemblage monolithique de thyristors à cathodes et gâchettes communes, les gâchettes étant référencées par rapport aux cathodes. La figure 1 représente une structure très classique de thyristor Cette structure est formée à partir d'un substrat N 2 de type N d'une épaisseur de plusieurs centaines de microns Du côté inférieur du substrat est formée uniformément une couche P (P 2) qui correspond à l'anode du thyristor revêtue d'une métal- lisation d'anode A Du côté de la face supérieure est formée une région Pl de type P correspondant à une couche de gâchette de cathode dans laquelle est formée une région de cathode Ni de type N Une métallisation G est solidaire de la région de gâchette et une métallisation K est formée sur la région Ni et forme l'électrode de cathode De façon classique, on a repré- senté des interruptions de la région Ni, qui correspondent à des courts-circuits d'émetteur. A la périphérie du thyristor sont formées à partir des faces supérieure et inférieure des diffusions P 2 et 3 qui se rejoignent pour fournir ce que l'on appelle habituellement une structure de thyristor à caisson. Avec une telle structure, c'est la face d'anode qui peut être montée sur un radiateur et qui correspond au côté de refroidissement du thyristor et aussi, en général (sauf montage à isolement), au potentiel du radiateur Avec une telle struc- ture, il est facile de réaliser de façon intégrée plusieurs thy- ristors en parallèle à anodes canmunes. Dans ces thyristors, la gâchette est référencée par rapport à la cathode, c'est-à-dire que le thyristor devient conducteur si, tandis que son anode est positive par rapport à sa cathode, une tension positive est appliquée entre gâchette et cathode pour faire circuler un courant de la gâchette vers la cathode. Les constructeurs de thyristors ont depuis longtemps optimisé les niveaux de dopage et les formes en vue de dessus des diverses couches ainsi que l'allure des trous de courts- circuits pour optimiser les divers paramètres souhaités d'un tel thyristor à gâchette de cathode, c'est-à-dire notamment sa tenue en tension et ses paramètres de commutation à l'ouverture et à la fermeture. La figure 2 illustre certains de ces paramètres. Si la tension entre anode et cathode est une tension positive égale à Vl et si une tension de gâchette est appliquée, comme le représente la courbe 10, le courant entre anode et cathode croît rapidement puis la tension chute à une valeur faible jusqu'à ce que la tension et le courant s'établissent à des valeurs V 2, I 2 correspondant aux paramètres du circuit dans lequel est inséré le thyristor Ensuite, le thyristor reste dans cet état même si le courant de gâchette est interrompu On dira que le thyristor est sensible à la fermeture s'il suffit d'une faible tension gâchette-cathode et d'une faible circulation de courant de gâchette pour entraîner la mise en conduction. Pour ouvrir le thyristor, il faut que la tension à ses bornes décroisse jusqu'à ae que le courant qui le traverse devienne inférieur à un courant de maintien MH. Par ailleurs, le thyristor présente une certaine tenue en tension directe C'est-à-dire que si, en l'absence de courant de gâchette, la tension dépasse une valeur de seuil VBR, le thyristor claque et la caractéristique tension-courant correspond à la courbe Il En outre, cette valeur de claquage du thyristor dépend de la rapidité de la montée en tension, c'est ce qu'on appelle la caractéristique de tenue en d V/dt du thy- ristor. Parmi les paramètres caractéristiques d'un thyristor, on se soucie également essentiellement de ces paramètres de sen- sibilité, de tenue en d V/dt et de courant de maintien Or, ces divers paramètres sont antinomiques En particulier, en dimi- nuant le taux de courts-circuits d'émetteur, on augmente la sensibilité à la fermeture, alors qu'en augmentant ce taux on réduit les problèmes liés aux déclenchements en d V/dt et on augmente MH. Néanmoins, dans le cadre des structures de thyristors à anode canmune et à gâchette référencée à la cathode du type de ceux illustrés en figure 1, on est arrivé à optimiser l'ensemble de ces paramètres de façon satisfaisante Il est d'ailleurs connu que l'on peut augmenter encore la sensibilité à la ferme- ture, en prévoyant des structures de type darlistor ou thyristor à amplification de gâchette de cathode. Dans certaines applications, on souhaite disposer de thyristors dans lesquels l'électrode de gâchette se trouve du coté de la métallisation d'anode de sorte que la métallisation de cathode soit seule sur une face du composant et puisse être montée directement sur un radiateur On peut alors penser à des thyristors à gâchette d'anode Toutefois, la réalisation de tels thyristors pose des problèmes mal résolus aujourd'hui. En effet, contrairement à ce qui est généralement affirmé dans les brevets d'invention o l'on indique souvent, après avoir décrit un thyristor à gâchette de cathode qu'une structure équivalente pourrait être obtenue en intervertissant tous les types de conductivité des couches N et P, il n'y a pas équivalence entre une couche N et une couche P Notamment, la mobilité des porteurs n'est pas la même dans une couche N et dans une couche P et il n'est pas possible d'obtenir de mêmes niveaux de dopage en type N et en type P Par exemple, il est très difficile d'obtenir des niveaux de dopage très élevés en type P. La solution qui consisterait à transformer le thyris- tor de la figure 1 en thyristor à gâchette d'anode en interver- tissant tous les types de conductivité n'est pas satisfaisante notamment du fait qu'il ne serait pas possible de remplacer la couche Ni par une couche de type P à très fort niveau de dopage. Une autre solution pour obtenir un thyristor à gâchet- te d'anode est illustrée en figure 3 dans laquelle la couche Pl de gâchette de cathode devient une couche P 2 d'anode, le subs- trat N 2 a maintenant une fonction de gâchette d'anode, la couche Pl devient une couche de gâchette de cathode (non connectée) et la couche Ni de cathode est formée du côté de la face inférieu- re Ceci amène à une structure très peu sensible du fait que la gâchette est liée à une couche N 2 très épaisse (le substrat) qui est la couche qui permet la tenue en tension. Ainsi, dans la pratique, on trouve essentiellement des thyristors à gâchette de cathode tels que èlui illustré en figure 1 et pratiquement pas de thyristors à gâchette d'anode. Ceci entraîne que l'on sait faire simplement des montages de thyristors o plusieurs thyristors sont montés en parallèle avec une anode commune, reliée à un dissipateur thermique mais qu'il est très difficile de faire des montages de thyristors en paral- lèle à cathode commune. Un autre inconvénient des thyristors à gâchette d'ano- de est que, même si l'on savait en fabriquer de performants, ils ont de façon inhérente une gâchette référencée à leur anode alors que dans de nombreux montages électriques, on souhaite obtenir des thyristors dont le déclenchement est obtenu par une tension référencée à la cathode et non pas à l'anode. Ainsi, un premier objet de l'invention est de réaliser un thyristor dont la cathode corresponde à une première face principale d'une pastille semiconductrioe (la faè inférieure) et dont la gâchette se trouve sur la faè portant l'anode, tan- dis que le déclenchement du thyristor s'effectue par une tension appliquée sur la gâchette et référencée par rapport à la cathode. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel thyristor qui soit sensible à la fermeture, qui présente une forte insensibilité aux déclenchements en dv/dt et qui puis- se avoir un courant de maintien de valeur élevée. Pour atteindre cet objet ainsi que d'autres, la pré- sente invention prévoit un thyristor comprenant un thyristor vertical comportant en face avant une région d'anode localisée et en face arrière une métallisation de cathode recouvrant sensiblement toute cette face arrière, et, du côté de la face avant, un thyristor latéral La gâchette du thyristor correspond à la région de cathode ou de gâchette de cathode du thyristor latéral; la région de gâchette de cathode ou de cathode, respectivement, du thyristor latéral est reliée à la cathode du thyristor vertical. En d'autres termes, l'invention prévoit un thyristor comprenant un substrat de type N; sur la face avant, une région d'anode de type P revêtue d'une métallisation d'anode; sur la face arrière, une couche P, dans laquelle est formée une région N de cathode, cette face arrière étant revêtue d'une métal- lisation de cathode, l'ensemble de ces couches formant un thyristor vertical; dans le substrat, du côté de la face avant, un caisson P dans lequel est formé une zone N, ce caisson et cette zone formant avec le substrat et la région d'anode un thyristor latéral; une borne de gâchette reliée électriquement audit caisson P ou à ladite zone N; et une liaison électrique entre la cathode et ladite zone N ou ledit caisson P, respecti- vement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la région de cathode du thyristor vertical est munie de courts- circuits d'émetteur, et la région de cathode du thyristor laté- ral est exempte de courts-circuits d'émetteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une région périphérique de type P va de la face supérieure à la face inférieure du thyristor. Selon un mode de réalisation de la présente invention, dans le cas d'une liaison entre la région de gâchette de cathode du thyristor latéral et la métallisation de cathode cette liai- son est réalisée par une continuité entre ladite région de gâchette et ladite région périphérique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, dans le cas d'une liaison entre la région de cathode du thyris- tor latéral et la métallisation de cathode, ètte liaison est assurée par une métallisation rejoignant la cathode du thyristor latéral et la surface supérieure de ladite région périphérique. La présente invention prévoit aussi un assemblage de thyristors à gâchettes communes et cathodes communes constitué de la mise en parallèle de thyristors tels que définis ci- dessus, les cathodes de ces thyristors étant montées sur un même radiateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, cet assemblage de thyristors à gâchettes communes et cathodes communes est réalisé sous forme monolithique Plusieurs thy- ristors verticaux sont assemblés en parallèle dans un même substrat Cet assemblage comprend des régions supplémentaires communes de gâchette de cathode et de cathode d'un thyristor latéral qui se continue par les régions de gâchette d'anode et d'anode de chacun des thyristors verticaux. 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 à 3, qui rappellent l'état de la technique et présentent le problème posé, ont été décrites précédemment; la figure 4 est une vue en coupe d'un thyristor selon la présente invention; la figure 5 A est une vue en coupe représentant un premier mode de connexion d'un thyristor selon la présente invention et les figures 5 B et 5 C sont des schémas équivalents; la figure 6 A est une vue en coupe représentant un deuxième mode de connexion d'un thyristor selon la présente invention et les figures 6 B et 6 C sont des schémas équivalents; la figure 7 représente un exemple de réalisation du thyristor de la figure SA; la figure 8 représente un exemple de réalisation du thyristor de la figure 6 A; les figures 9 A et 9 B représentent des exemples de circuits à thyristors; et la figure 10 représente un mode de réalisation selon la présente invention d'un ensemble de deux thyristors en paral- lèle à cathode commune et à commande par gâchette de cathode. Dans les diverses vues en coupe de composants semicon- ducteurs, on notera que les dimensions ne sont pas tracées à 1 'échelle et notamment que les épaisseurs et les dimensions latérales des couches sont arbitrairement dilatées ou rétrécies pour faciliter la lisibilité des figures et simplifier leur tracé. La figure 4 représente une vue en coupe d'un thyristor selon la présente invention Ce thyristor est élaboré à partir d'un substrat N 2 de type N dont la faoe arrière est revêtue d'une couche Pl de type P dans laquelle est formée une région Ni de cathode de type N qui peut, de façon classique, être inter- rompue pour former des régions de courts-circuits d'émetteur La face arrière est revêtue sur sensiblement toute sa surface d'une métallisation de cathode La région Ni est située en faoe d'une région P 2 formée à partir de la face supérieure dans le substrat N 2 La région P 2 constitue l'anode d'un thyristor et est revêtue d'une métallisation d'anode A En outre, dans la région N 2, est formée un caisson P 3 de type P à 1 ' intérieur duquel est formée une région N 3 de type N Le caisson P 3 est solidaire d'une métallisation g et la région N 3 d'une métallisation c. Ainsi, le thyristor de la figure 4 présente en face arrière une métallisation unique de cathode et c'est sur la face avant que se trouvent une métallisation d'anode et des métal- lisations supplémentaires g et c. On reconnaît dans cette figure un thyristor vertical TV comprenant des couches P 2, N 2, Pi, Ni et un thyristor latéral tl, du côté de la face avant, comprenant les couches N 3, P 3, N 2, P 2 La région Nl est classiquement munie de courts-circuits d'émetteur pour que le thyristor principal présente un IH élevé et une forte insensibilité aux déclenchements en d V/dt Par contre, la région N 3 n'est pas munie de courts-circuits d'émet- teur pour que le thyristor latéral soit sensible à la fermeture. Il sera clair pour l'homme de métier que les plus grandes parties des surfaces supérieure et inférieure du compo- sant sont respectivement occupées par les régions P 2 et Nl. La structure de la figure 4 est susceptible de deux modes de montage. Dans un premier mode de montage illustré en figure SA, la borne c est reliée à la borne K et la borne g constitue la borne de gâchette G du composant. Le fonctionnement de ce premier mode de montage sera exposé en relation avec le schéma équivalent sous forme de couches de la figure 5 B ou au schéma équivalent sous forme de circuit de la figure 5 C Le thyristor latéral P 2-N 2-P 3-N 3 et le thyristor vertical P 2-N 2-Pl-Ni ont en commun leurs couches d'anode et de gâchette d'anode Leurs cathodes N 3 et Ni sont connectées Ainsi, quand la tension entre les bornes A et K est positive et qu'un signal est appliqué sur la borne G, le thy- ristor latéral P 2-N 2-P 3-N 3 devient passant entre les bornes A et K Immédiatement après, étant donné qu'il circule un courant entre les régions P 2-N 2, le thyristor vertical P 2-N 2-Pl-Nl devient également passant On peut assimiler son déclenchement à un déclenchement par un courant de gâchette d'anode Dès que le thyristor vertical devient passant, étant donné qu'il est en parallèle sur le thyristor latéral, que sa surface est beaucoup plus grande et que sa résistance à l'état passant est beaucoup plus faible, c'est ce thyristor vertical qui reste conducteur et le thyristor latéral se rebloque, le courant qui le traverse devenant inférieur à son courant de maintien. En résumé, la structure d'ensemble vue des bornes A, K et G (g) fonctionne comme un thyristor à gâchette de cathode dans lequel le déclenchement est obtenu par application d'une tension de gâchette positive par rapport à la tension de cathode Un avantage de cette structure, outre le fait qu'elle permet des montages à cathode sur radiateur, est que les para- mètres de fermeture, c'est-à-dire de sensibilité au courant de gâchette sont liés au thyristor latéral tl alors que les para- mètres à l'ouverture ou au déclenchement parasite (IH et sensi- bilité en d V/dt) sont liés à la structure du thyristor vertical TV Il est donc possible d'optimiser indépendamment ces divers paramètres. Dans un deuxième mode de montage illustré en figure 6 A, la borne g est reliée à la borne K et la borne c constitue la borne de gâchette G du composant. Le fonctionnement de ce deuxième mode de montage sera exposé en relation avec le schéma équivalent sous forme de couches de la figure 6 B ou au schéma équivalent sous forme de circuit de la figure 6 C Le thyristor latéral P 2-N 2-P 3-N 3 et le thyristor vertical P 2-N 2-Pl-Nl ont en commun leurs couches d'anode et de gâchette d'anode La couche de gâchette de cathode du transistor latéral est reliée à la cathode K du thyristor vertical Le thyristor latéral tl se déclenche si son anode est positive par rapport à sa cathode et si la tension sur la borne G (ou c) est négative par rapport à la tension sur la borne K. Ensuite, comme précédemment, le thyristor vertical TV s'amorce et le thyristor latéral tl se bloque. On obtient donc à nouveau une structure fonctionnant canoe un thyristor à gâchette de cathode mais dans laquelle le déclenchement est produit quand la gâchette est négative par rapport à la cathode De plus, comme précédemment, il y a sépa- ration entre les paramètres de mise en conduction et les para- mètres d'ouverture et de déclenchement parasite. En pratique, le composant selon la présente invention peut être réalisé de diverses façons, notamment en ce qui concerne la connexion entre la borne g ou c et la borne de cathode (la face arrière). Le composant de la figure 4 peut être placé dans un boîtier, les quatre bornes A, K, g et c étant accessibles et l'utilisateur choisissant de connecter de façon externe la borne g ou c à la borne K Cette solution est tout à fait envisageable car, en cas de mauvais montage, il ne se produira pas de risque d'accident ou de destruction Tout simplement, si l'utilisateur applique une tension de gâchette positive en cas de connexion de la borne g à la borne K ou une tension négative en cas de connexion de la borne c à la borne K, le composant ne fonction- nera pas et il suffira de modifier la polarité de la tension de commande ou d'inverser les connexions. La connexion peut être faite à l'intérieur du boîtier par un conducteur métallique, par exemple un fil d'alu- minium. La connexion peut être réalisée de façon intégrée comme cela est illustré en figures 7 et 8. La figure 7 correspond à un mode de réalisation inté- gré du montage de la figure 5 A Dans ce mode de réalisation, la métallisation de cathode c du thyristor latéral tl s'étend jusqu'à entrer en contact avec la diffusion latérale de type P ( 2-3) rejoignant la couche Pl de face arrière Dans ce mode de réalisation la métallisation c n'est pas reliée à une borne externe. il La figure 8 correspond à un mode de réalisation inté- gré du montage de la figure 6 A Dans ce mode de réalisation, la région P 3 s'étend jusqu'à entrer en contact avec la diffusion latérale 2-3 rejoignant la face arrière et la métallisation c correspond à la borne G de commande du thyristor selon l'inven- tion. Bien entendu, les diverses vues en coupe des figures 4, 5 A, 6 A, 7 et 8 sont uniquement illustratives et, en fait, il n'y a pas nécessairement alignement dans un plan de coupe des métallisations c, g et A. Bien que le thyristor selon la présente invention puisse être utilisé isolément avec les avantages indiqués précé- demment, il trouve une application toute particulière à des montages dans lesquels deux thyristors (ou plus) sont connectés en cathodes et gâchettes communes Un tel montage de deux thyristors Tl, T 2 à cathodes K et à gâchettes G communes est illustré en figure 9 A Ces thyristors ont des anodes respecti- vement désignées par Ai et A 2 Ce montage correspond par exemple dans certains ponts commandés tels qu'illustrés en figure 9 B o une tension alternative est fournie entre les anodes Al et A 2. Ces anodes sont reliées à une première borne de tension continue A par l'intermédiaire de diodes respectives Dl et D 2 et la borne K constitue une deuxième borne de tension continue On a repré- senté en figure 9 B un montage monophasé, on pourrait de même rajouter une branche pour constituer un montage triphasé. Pour réaliser les thyristors Tl et T 2 à cathodes communes montées sur un même radiateur on pourrait utiliser deux thyristors selon la présente invention en parallèle Il est aussi possible comme le représente la figure 10 de réaliser une structure intégrée dans laquelle on reconnaît à droite et à gau- che des structures de thyristor vertical, respectivement P 21-N 2- -Pl-Nll et P 22-N 2-Pl-N 12, similaires à èlle de la figure 4 et dans la partie èntrale les régions supplémentaires N 3 et P 3 La borne c ou la borne g pourra être reliée à la borne K selon que l'on souhaite réaliser une commande par tension de gâchette négative ou positive par rapport à la cathode Ainsi, quand une tension de commande est appliquée, celui des thyristors Tl et T 2 dont l'anode est positive par rapport à la cathode deviendra conducteur. L'homme de métier saura choisir pour chacune des structures des figures 4, 5 A, 6 A, 7, 8 et 10 des topographies de couches et des niveaux de dopage convenables en utilisant les règles classiques de conception de thyristors A titre de rappel, on notera que les niveaux de dopage des diverses couches peuvent par exemple être: couche N 2: 5 lo 13 à 1015 atames/cm 3, couche Pi, régions P 2 et P 3: 1017 à 1019 atcmes/cm 3, régions Ni et N 3: 1020 à 1021 atcmes/cm 3. Bien que cela simplifie la réalisation, les niveaux de dopage des couches et régions Pl, P 2 et P 3 ne sont pas néces- sairement identiques et peuvent être choisis différents pour optimiser certaines caractéristiques de fonctionnement du thyristor. Dans la présente description, on a présenté la struc- ture selon l'invention comme formée à partir d'un substrat N épais (quelques centaines de micromètres) dans lequel sont formées par diffusion ou implantation les autres couches ou régions Néanmoins, tout mode de fabrication connu de thyristors pourra être utilisé On pourra par exemple partir d'un substrat de type P correspondant à la région Pl sur lequel la couche N 2 est amenée à croître par épitaxie. Par ailleurs, on a illustré dans toutes les figures, une structure du type thyristor à caisson La présente invention pourrait également s'appliquer à d'autres structures de thyris- tor, par exemple des structures mésa ou planar. De façon générale, l'homme de métier pourra apporter à la présente invention diverses variantes et modifications connues dans le domaine de la réalisation des composants semi- conducteurs et notamment des thyristors et des triacs. REVENDICATIONS 1 Thyristor comprenant un thyristor vertical (TV) comportant en face avant une région d'anode localisée (P 2) et en face arrière une métallisation de cathode (K) recouvrant sen- siblement toute cette face arrière, caractérisé en ce qu'il comprend en outre du côté de la face avant un thyristor latéral (tl), la gâchette du thyristor correspondant à la région de cathode (c) ou de gâchette de cathode (g) du thyristor latéral, et la région de gâchette de cathode (g) ou de cathode (c), respectivement, du thyristor latéral étant reliée à la cathode du thyristor vertical. 2 Thyristor comprenant un substrat de type N (N 2); sur la face avant, une région d'anode de type P (P 2) revêtue d'une métallisation d'anode; sur la faoe arrière, une couche P (Pi), dans laquelle est formée une région N (Ni) de cathode, cette face arrière étant revêtue d'une métallisation de cathode, l'ensemble de ces couches formant un thyristor vertical (TV); caractérisé en ce qu'il comprend en outre dans le substrat, du côté de la face avant, un caisson P (P 3) dans lequel est formé une zone N (N 3), ce caisson et cette zone formant avec le substrat (N 2) et la région d'anode (P 2) un thyristor latéral (tl); une borne de gâchette (G) reliée électriquement audit caisson P ou à ladite zone N; et une liaison électrique entre la cathode et ladite zone N ou ledit caisson P, respectivement. 3 Thyristor selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que la région de cathode (Ni) du thyristor vertical (TV) est munie de courts-circuits d'émetteur, et en ce que la région de cathode (N 3) du thyristor latéral est exempte de courts-circuits d'émetteur. 4 Thyristor selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une région périphérique de type P ( 2, 3), allant de sa faoe supérieure à sa faoe infé- rieure. 5 Thyristor selon la revendication 4, comprenant une liaison entre la région de gâchette de cathode (P 3) du thyristor latéral et la métallisation de cathode, caractérisé en oe que ladite liaison est réalisée par une continuité entre ladite région de gâchette (P 3) et ladite région périphérique. 6 Thyristor selon la revendication 4, comprenant une liaison entre la région de cathode (N 3) du thyristor latéral et la métallisation de cathode, caractérisé en ce que ladite liai- son est assurée par une métallisation rejoignant la cathode du thyristor latéral et la surface supérieure de ladite région périphérique. 7 Assemblage de thyristors à gâchettes communes et cathodes communes, caractérisé en ce qu'il est constitué de la mise en parallèle de thyristors selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, les cathodes de ces thyristors étant montées sur un même radiateur. 8 Assemblage de thyristors à gâchettes communes et cathodes communes réalisé sous forme monolithique, caractérisé en ce que plusieurs thyristors verticaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 sont assemblés en parallèle dans un même substrat et en ce qu'il comprend des régions supplémen- taires communes de gâchette de cathode et de cathode d'un thyristor latéral qui se continue par les régions de gâchette d'anode et d'anode de chacun des thyristors verticaux.