Brevet FR2699734A1 — publié le 19940624

La présente invention concerne un dispositif bidirectionnel limiteur de courant capable de tenir une tension de polarisation élevée. Par tension élevée, ou haute tension, on désignera ici des tensions comprises entre 500 et 2000 volts. La réalisation de dispositifs limiteurs de courant pour le contrôle d'interrupteurs électroniques de puissance suppose habituellement le recours à une combinaison d'éléments tels qu'un transistor MOS à enrichissement piloté par un transistor bipolaire avec un réseau composé de résistances, d'une diode Zener et d'une capacité. Une telle combinaison est coûteuse et encombrante et, de plus, ne permet pas de tenir en tension au-delà d'environ 500 volts. Or on sait que la tenue en tension est l'un des problèmes essentiels rencontrés en électronique de puissance. L'invention a pour but de simplifier et rendre peu encombrant un dispositif bidirectionnel limiteur de courant tout en rendant celui-ci apte à tenir une tension de polarisation élevée. Selon l'invention, pour limiter le courant acheminé via des bornes d'entrée reliées à une source de tension industrielle vers des bornes de sortie reliées à un organe de commande d'un composant ou circuit de puissance, le dispositif comprend un couple d'éléments limiteurs de courant dont chacun comporte:: - un substrat semiconducteur de type N, - une région hautement résistive de type P- débouchant sur une partie d'une surface principale du substrat et présentant une zone de conduction située entre deux îlots peu résistifs de type P+ pour assurer du premier vers le deuxième îlot le passage d'un courant autolimité, et une zone de protection contre le claquage en haute tension située autour du deuxième îlot, - une électrode susceptible de polariser le substrat à un potentiel inférieur à celui du deuxième îlot, - des bornes respectivement reliées aux deuxième et premier îlot et à l'électrode de polarisation de substrat, les bornes reliées aux deuxièmes îlots étant connectées aux bornes d'entrée du dispositif, et une première borne de sortie connectée aux bornes de polarisation de substrat et une deuxième borne de sortie connectée aux bornes des premiers îlots du couple d'éléments. L'invention concerne aussi les dispositifs bidirectionnels à couplage optique ainsi constitués. Les caractéristiques et avantages de l'invention sont explicités dans la description suivante d'un mode de réalisation en relation avec les figures jointes. - La figure I représente en coupe un substrat de silicium sur lequel est formé un élément du dispositif de protection conforme à l'invention. - La figure 2 est le schéma électrique du dispositif associé à une diode photoémissive. - La figure 3 montre en vue de dessus un exemple de réalisation du dispositif. Le dispositif de protection représenté comprend deux éléments L dont chacun est ménagé sur un substrat 10 de silicium de type N- peu dopé, d'un type utilisé habituellement pour la réalisation de composants de puissance. La résistivité du substrat est fonction de la tension à bloquer, par exemple 50 Q.cm pour 1200 volts. Une région hautement résistive de type P- est formée de manière à déboucher sur une partie d'une surface principale 12 du substrat 10. La région Il a une profondeur de 5 à 30,um et elle est dopée avec une dose d'accepteurs comprise entre 0,5 et 4.1012 atomes.cm-2 pour déterminer une résistance par carré de 2 à 20 kÇ# / O. La dose recherchée est obtenue par implantation ionique suivie d'un recuit. La région Il comprend une zone de conduction Z1 entre deux îlots 13,14 peu résistifs de type P+ et, autour de l'îlot 14, une zone de tenue au claquage haute tension 22. La zone de conduction Z1 a une largeur I et une longueur L qui contribuent à définir sa résistance. Le dopage des îlots est tel que leur résistance par carré est comprise entre 10 et 100 Q / g et leur profondeur est inférieure, égale ou - dans cet exemple - supérieure à celle de la région 11. Les îlots 13,14 reçoivent des métallisations respectives 15,16 de prise de contact. La zone de protection Z2 a une largeur qui dépend des caractéristiques de la région 11, typiquement de 100 à 200 lim pour bloquer 1200 volts. Une région 17 de type N+, fortement dopée, par exemple avec une concentration supérieure à 1018 atomes.cm-3, est prévue à la surface 12 du substrat 10 pour polariser celui-ci sous une tension inférieure à la tension appliquée à l'îlot 14 via la métallisation 16 afin de polariser ainsi en sens direct la jonction PN 18. La région 17 reçoit une métallisation 19 de prise de contact. La région 17 est poursuivie sur le pourtour du dispositif (figures 2 et 3) pour réaliser un anneau de champ équipotentiel 20 qui permet d'arrêter la progression de la zone de charge d'espace. La couche d'oxyde a été représenté en 21. Les électrodes 16,15,18 étant référencées respectivement A,B,C (voir figure 1), le fonctionnement du dispositif est le suivant. Lorsque le potentiel en C est égal ou légèrement supérieur au potentiel en B, lui-même supérieur au potentiel en A, le dispositif fonctionne en limiteur d'intensité pour le courant qui circule de B vers A, la valeur du courant limité étant typiquement comprise entre 0,3 et 5 mA. B et C peuvent alors être interconnectées pour assurer l'égalité de potentiel recherchée. Lorsque le potentiel en C est inférieur au potentiel en B ou en A, la diode formée par la jonction entre le substrat N- 10 d'une part et par les régions 11,13,14 d'autre part est polarisée en direct. Le courant peut donc circuler de A ou B vers C avec une chute de tension de 0,7 volt dans la diode. Sur le schéma illustré par la figure 2, on voit les deux éléments LI ,L2 du dispositif. L'élément limiteur LI comporte une résistance pincée Z11 entre les électrodes A1,B1 et une diode D1 en sens passant entre les électrodes AIA1,C1; l'élément limiteur L2 comporte de même une résistance Z12 entre les électrodes A2,B2 et une diode D2 en sens passant entre les électrodes A2,C2. Les électrodes A1,A2 sont connectées respectivement à des bornes d'entrées 1,2 du dispositif elles-mêmes susceptibles d'être reliées à une source de tension alternative ou continue, tandis que les électrodes ClC1,C2 d'une part, B1,B2 d'autre part, sont connectées à des bornes de sortie 3,4 du dispositif.On monte entre les bornes 3,4 l'organe de commande dont l'intensité du courant doit être limitée; il peut s'agir d'une photodiode 30 couplable avec un phototransistor 31 pour constituer un optocoupleur 32 apte à commander un composant ou circuit de puissance à partir d'une source de tension alternative ou continue. Selon les cas, la photodiode, voire l'optocoupleur, peut être incluse dans le dispositif. Le fonctionnement du dispositif est à présent expliqué en regard de la figure 2, pour le seul cas où le potentiel en 1 est supérieur au potentiel en 2, puisque le dispositif est symétrique. La diode D1 est ainsi polarisée en sens direct, la diode D2 est polarisée en sens inverse. Lorsque la différence de potentiel entre 1 et 2 croît à partir de zéro, le courant venant de 1 traverse la diode D1 et la diode 30 de l'optocoupleur, puis, D2 étant bloquée, traverse la résistance Z12 entre B2 et A2 pour aller en 2. Jusqu'à une valeur Vp de l'ordre de 10 à 40 volts, la résistance Z12 garde une valeur de 10 à 50 kQ;; lorsque le potentiel entre 1 et 2 dépasse Vp, la résistance Z12 passe à sa valeur de pincement, supérieure à 500 kQ et sensiblement constante. L'élément L2 est alors en régime de limitation de courant, celui-ci restant maintenu à une valeur comprise entre 0,3 et 5 mA. Le dispositif représenté fonctionne sous la tension alternative d'un réseau de distribution ou sous tension continue. Les régions de protection Z2 des éléments limiteurs L (ou Z21,Z22 sur la figure 3) assurent une tenue en tension inverse pouvant atteindre 1200 volts. La figure 3 montre une forme d'exécution des deux éléments L1,L2 intégrée dans une puce d'environ 8 mm2. Les électrodes C1,C2 de polarisation de substrat sont réunies pour ne former qu'une seule électrode C qui entoure les régions 11 à faible dopage P- Il va de soi que les types de dopage P et N décrits peuvent être substitués entre eux. REVENDICATIONS 1. Dispositif bidirectionnel de protection limitant le courant acheminé via des bornes d'entrée reliées à une source de tension industrielle vers des bornes de sortie reliées à un organe de commande d'un composant ou circuit de puissance caractérisé par un couple d'éléments limiteurs de courant (L1,L2) dont chacun comporte:: - un substrat semiconducteur (10) de type N, - une région (11) hautement résistive de type P- débouchant sur une partie d'une surface principale (12) du substrat et présentant une zone de conduction (Z1) située entre deux îlots peu résistifs (13,14) de type Pf pour assurer du premier (13) vers le deuxième îlot (14) le passage d'un courant autolimité, et une zone de protection (Z2) contre le claquage en haute tension, cette zone étant située autour du deuxième îlot (14), - une électrode (19) susceptible de polariser le substrat à un potentiel inférieur à celui du deuxième îlot, - des bornes (A,B,C) respectivement reliées aux deuxième et premier îlot et à l'électrode de polarisation de substrat, les bornes (A) reliées aux deuxièmes îlots étant connectées aux bornes d'entrée (1,2) du dispositif, - et une première borne de sortie (3) connectée aux bornes de polarisation de substrat (C1,C2) et une deuxième borne de sortie (4) connectée aux bornes (B1,B2) des premiers îlots (13) du couple d'éléments. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux éléments limiteurs de courant (L1,L2) du couple sont intégrés sur un même substrat (10) avec une électrode commune (C) de polarisation de substrat. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la région hautement résistive (11) est réalisée avec une dose de dopants comprise entre 0,5 et 4.1012 atomes.cm-2. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les types de dopage N et P sont substitués entre eux. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les bornes d'entrée (I(1,2) sont reliées à une source de tension alternative ou continue et les bornes de sortie (3,4) reliées à une photodiode (30) couplable à un optotransistor (31).