Brevet FR2699735A1 — publié le 19940624

La présente invention concerne un dispositif semiconducteur limiteur de courant et 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 limiteur de courant tout en rendant celui-ci apte à tenir une tension de polarisation élevée. Elle a pour autre but de permettre d'associer aisément à un tel dispositif limiteur de courant une diode antiparallèle à tension de polarisation inverse élevée. Selon l'invention, dans un substrat semiconducteur de type N, on ménage une région hautement résistive de type P- débouchant sur une partie de la surface principale du substrat, avec une dose régulière de dopants comprise entre 0,5 et 4.1012 atomes.cm-2; dans la région à haute résistivité sont prévus un premier îlot et un deuxième îlot peu résistifs de type P+ débouchant sur la surface principale et supportant des couches respectives de prise de contact. La région à haute résistivité présente: - une zone de conduction latérale située entre les deux îlots pour assurer du premier vers le deuxième îlot le passage d'un courant limité, - une zone de protection contre le claquage en haute tension située autour du deuxième îlot. La région à haute résistivité a typiquement une résistance par carré comprise entre 2 et 20 kn / De préférence, on prévoit une électrode de polarisation sur la surface principale du substrat, en contact ohmique avec cette surface, pour polariser le substrat à un potentiel inférieur à celui du deuxième îlot; la diode PN antiparallèle au chemin de courant premier îlot - deuxième îlot est ainsi neutralisée ou utilisable selon le potentiel de l'électrode de polarisation. Il va de soi que les types de dopages P et N indiqués peuvent être substitués entre eux. 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 1 illustre en coupe la surface d'un substrat de silicium sur lequel est formé le dispositif limiteur de courant haute tension conforme à l'invention. - La figure 2 représente plus en détail un mode de réalisation préféré du dispositif. - La figure 3 représente à plus petite échelle en vue de dessus le dispositif limiteur. - La figure 4 montre la caractéristique intensité i tension du dispositif. Le dispositif limiteur de courant unidirectionnel représenté 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 11 a une profondeur de 5 à 30pm 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# / D. La dose recherchée est obtenue par implantation ionique suivie d'un recuit. La région 11 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 Z2. 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/S 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 représentée en 21. Les électrodes 16,15,19 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 18 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. La figure 4 représente la caractéristique courant-tension du dispositif lorsqu'il fonctionne en limiteur. Jusqu'à ce que la tension atteigne une valeur Vp comprise entre 20 et 40 volts, le courant croît avec une pente de 10 à 50 kQ jusqu'à une valeur Ip comprise entre 0,3 et 5 mA. Au-delà de Vp et jusqu'à une tension de claquage Vb supérieure à 1200 volts, le courant reste pratiquement stabilisé à la valeur Ip, sa pente étant alors de 500 kQ. REVENDICATIONS 1. Dispositif semiconducteur limiteur de courant, comprenant - un substrat semiconducteur de type N, - une région hautement résistive de type P- débouchant sur une partie d'une surface principale du substrat, caractérisé par le fait que: - la région à haute résistivité (11) est réalisée avec une dose de dopants comprise entre 0,5 et 4.1012 atomes.cm-2; - dans la région à haute résistivité (11) sont prévus un premier îlot (13) et un deuxième îlot (14) peu résistifs de type P+ débouchant sur la surface principale et supportant des couches respectives de prise de contact (15,16), - la région à haute résistivité (11) présente:: - une zone de conduction latérale (Z1) située entre les deux îlots (13,14) pour assurer du premier vers le deuxième îlot le passage d'un courant limité, - une zone de protection contre le claquage en haute tension (Z2) située autour du deuxième îlot (14). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la région à haute résistivité (11) a une résistance par carré comprise entre 2 et 20 kQ / B. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'une électrode de polarisation (18) est disposée sur la surface principale (12) du substrat (10), en contact ohmique avec cette surface, pour polariser le substrat à un potentiel inférieur à celui du deuxième îlot (14). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'électrode (18) de polarisation de substrat est reliée à un anneau (20) cernant le dispositif. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les types de dopage N et P sont substitués entre eux.