Brevet FR2861229A1 — publié le 20050422

COMMUTATEUR SCR À COMMANDE EF ISOLÉ La présente invention concerne de façon générale des commutateurs de type SCR. On entend par commutateurs de type SCR des composants tels que des thyristors, des triacs et des commutateurs bidirectionnels commandés de divers types et comprenant au moins quatre couches semiconductrices de types de dopage alternés. La présente invention concerne plus particulièrement l'isolement galvanique d'un circuit de commande d'un commutateur de type SCR. L'isolement galvanique entre un circuit de commande et un ou plusieurs commutateurs de type SCR commandés est de façon générale réalisé au moyen d'un transformateur ou d'un optocoupleur. Ces deux moyens d'isolement sont généralement coûteux et difficilement intégrables. Un objet de la présente invention est de prévoir un commutateur de type SCR monolithique tel que le circuit de commande du commutateur soit isolé galvaniquement du circuit de puissance du commutateur. Un autre objet de la présente invention est de prévoir 20 un tel commutateur de structure simple. 15 Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit d'utiliser un commutateur de type SCR commandé en haute fréquence HF et d'intégrer des condensateurs dans la structure. Plus particulièrement, la présente invention prévoit un commutateur SCR vertical destiné à être commandé par un signal haute fréquence, comprenant au moins quatre couches principales de types de dopage alternés à travers lesquelles un fort courant est susceptible de passer d'une face à une autre entre deux bornes principales, et comprenant une borne de gâchette reliée à une zone de gâchette par l'intermédiaire d'un condensateur. Ce commutateur comprend en outre une borne de référence de gâchette reliée par l'intermédiaire d'un condensateur intégré à une zone de référence de gâchette disposée sur la même face du composant que la zone de gâchette. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le commutateur est de type thyristor, comprenant du côté de la face avant une zone semiconductrice principale d'un premier type de dopage formée dans une zone semiconductrice de gâchette d'un second type de dopage, une première portion de la zone principale étant reliée à une des bornes principales, une seconde portion de la zone principale étant reliée à une des bornes de commande par l'intermédiaire d'un premier condensateur intégré, et une portion de la zone de gâchette étant reliée à l'autre des bornes de commande par l'intermédiaire d'un second condensateur intégré. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les première et seconde portions de la zone principale sont deux régions semiconductrices disjointes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la seconde portion de la zone principale et ladite portion de la zone de gâchette sont recouvertes d'une couche isolante et d'une métallisation, les empilements d'une portion semiconductrice, d'une couche isolante et d'une métallisation constituant lesdits premier et second condensateurs. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la seconde portion de la zone principale et ladite portion de la zone de gâchette sont chacune recouvertes d'une métallisation en contact avec une électrode d'un condensateur intégré dont l'autre électrode est en contact avec une métallisation reliée à une borne principale ou à une borne de commande. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la zone principale est une zone de cathode, la zone principale comprenant une ou plusieurs régions semiconductrices de type N formées dans un caisson de type P constituant la zone de gâchette, le caisson de type P étant formé audessus d'une couche semi-conductrice de type N sous laquelle est placée une région semi-conductrice de type P correspondant à l'anode du thyristor. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la seconde portion de la zone principale correspondant à une région de type N est placée entre ladite première portion de la zone principale correspondant à une région de type N et la portion du caisson de type P reliée à la borne de gâchette. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première portion de la zone principale comprend plusieurs trous correspondant à des portions du caisson de type P, une métallisation reliée à une borne principale recouvrant la première portion de la zone principale et l'ensemble de ces trous. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le cottunutateur est de type triac, comprenant du côté de la face avant une zone semiconductrice principale d'un premier type de dopage formée dans un caisson d'un second type de dopage, la zone principale et le caisson étant reliés à une borne principale, une région de gâchette du premier type de dopage étant formée dans le caisson et étant reliée à une borne de coianande par l'intermédiaire d'un premier condensateur intégré, et une portion du caisson étant reliée à une borne de référence de gâchette par l'intermédiaire d'un second condensateur intégré. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le commutateur est de type bidirectionnel, comprenant du côté de la face avant une zone semiconductrice principale d'un premier type de dopage formée dans un caisson d'un second type de dopage, la zone principale et le caisson étant reliés à une borne principale, l'ensemble étant entourée d'un mur d'isolement, une région de gâchette du premier type de dopage étant formée dans le mur d'isolement ou dans une prolongation latérale de celui- ci et étant reliée à une borne de commande par l'intermédiaire d'un premier condensateur intégré, et une portion du caisson étant reliée à une borne de référence de gâchette par l'intermédiaire d'un second condensateur intégré. 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 à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 est un schéma de commande d'un thyristor faisant partie d'un circuit de puissance; la figure 2 est une vue en coupe d'un thyristor; la figure 3 est une vue en coupe d'un thyristor selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 4 est un exemple de vue de dessus du thyristor de la figure 3; la figure 5 est une vue en coupe d'un thyristor selon un autre mode de réalisation de la présente invention; la figure 6 est un exemple de vue de dessus du thyristor de la figure 5; la figure 7 représente un schéma équivalent d'un 30 thyristor selon la présente invention. la figure 8 est une vue en coupe d'un commutateur bidirectionnel commandé selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 9 est une vue en coupe d'une variante de commutateur bidirectionnel commandé selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 10 est une vue en coupe d'un triac selon un 5 mode de réalisation de la présente invention; la figure 11 est un exemple de vue de dessus du triac de la figure 10; et la figure 12 représente un schéma équivalent d'un triac selon la présente invention. Les figures 2 à 6 et 8 à 11 sont des vues partielles, schématiques et simplifiées et sont uniquement destinées à simplifier la compréhension de la description ci-après. L'homme de l'art saura réaliser des dispositifs pratiques en utilisant des techniques connues. De plus, connue cela est usuel dans le domaine de la représentation des composants semiconducteurs, les dimensions des diverses couches et régions ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 1 est un schéma d'un circuit de commande 1 d'un thyristor 2 inséré dans un circuit de puissance 3. Le circuit de puissance 3 est représenté schématiquement par un générateur de tension Vl et une charge Z1 en série entre l'anode et la cathode du thyristor 2. Le circuit de commande 1 est destiné à appliquer un courant entre la gâchette et la cathode du thyristor et comprend essentiellement en série un générateur de tension haute fréquence HF sinusoidale, une résistance de limitation de courant Rlim, un condensateur Cg, et un commuta- teur Sw. Un tel circuit (sans le condensateur Ck) est décrit dans la demande de brevet français non publiée numéro 0215322 de la demanderesse déposée le 4 décembre 2002 (B5748). En haute fréquence, le condensateur Cg se comporte comme un court-circuit et les variations de tension et de courant sont intégralement transmises au thyristor. Cette demande de brevet expose que, même si l'énergie fournie par le circuit de commande lors de chaque période est inférieure à l'énergie nécessaire pour déclencher le thyristor, celui-ci se déclenche, de façon surprenante, au bout d'un certain nombre de périodes. La figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un thyristor intégrant le condensateur Cg tel que décrit dans la demande de brevet susmentionnée. Le thyristor comprend une région de cathode 20 de type N, formée dans un caisson 21 de type P, lui-même formé dans un substrat 22 faiblement dopé de type N, et une région d'anode 23 de type P du côté de la face arrière du thyristor. Le substrat 22 est entouré d'un mur d'isolement 24 dopé de type P. Le caisson 21 de type P correspond à une zone de gâchette. La face avant du thyristor est recouverte d'une couche isolante 25 dans laquelle sont prévues plusieurs ouvertures dont deux ouvertures Ok et Og respectivement au-dessus de la région de cathode 20 et au-dessus d'une portion du caisson de type P 21. Une métallisation de cathode MK reliée à une borne de cathode K est en contact avec la région de cathode 20 dans l'ouverture Ok. La face arrière du composant est revêtue d'une métallisation d'anode MA reliée à une borne d'anode A. Une couche isolante 26 est placée dans l'ouverture Og de façon à recouvrir une portion du caisson 21. La couche isolante 26 est recouverte d'une métallisation de gâchette Mg reliée à une borne de gâchette G. La zone de gâchette du thyristor est ainsi accessible par l'intermédiaire d'un condensateur dont le diélectrique est la couche isolante 26, les électrodes correspondant à la métallisation Mg et au caisson P 21. Canne cela est décrit dans la demande de brevet susmentionnée, le condensateur Cg n'est pas nécessairement disposé au-dessus de la région de gâchette de cathode. Un thyristor planar tel que celui représenté en figure 2 comprend couramment du côté de sa face avant une zone annulaire de type N fortement dopée 27, dite d'arrêt de canal, de préfé- rence recouverte d'une métallisation 28 placée dans une ouver- ture de la couche isolante 25. De plus, une région de type N fortement dopée 29 est couramment formée dans un caisson 30 de type P fortement dopé placé en surface du mur d'isolement 24. Le caisson 30 est recouvert d'une métallisation 31 placée dans une ouverture de la couche isolante 25. Dans le schéma de la figure 1, la cathode du thyristor 2 est reliée à une borne du circuit de puissance qui sert de référence au circuit de commande. Dans le cas où l'on souhaite que le circuit de commande ait une tension de référence indépendante du circuit de puissance, il faut prévoir un isolement entre les deux circuits. La présente invention propose, dans le cas d'une commande haute fréquence, d'assurer cet isolement en insérant un condensateur Ck représenté en pointillés sur la figure 1 entre les tensions de référence des circuits de commande et de puissance. L'association d'un circuit de commande produisant un signal de commande haute fréquence et de condensateurs d'isole- ment sur la gâchette et la cathode du thyristor 2 permet de réaliser de façon simple un isolement galvanique entre le circuit de commande et le thyristor. La présente invention propose en outre une structure de thyristor intégrant les condensateurs Cg et Ck. La figure 3 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un thyristor selon la présente invention intégrant les condensateurs Cg et Ck. L'assemblage des zones semiconductrices et des métallisations du thyristor est similaire à celui du thyristor représenté en figure 2. Les éléments similaires sont désignés par de mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau. La différence essentielle est qu'une deuxième ouverture Ok2 distincte de l'ouverture Ok est formée dans la couche isolante 25 au-dessus de la région de cathode 20. L'ouverture Ok2 a une surface nettement inférieure à celle de l'ouverture Ok et est formée à proximité de l'ouverture Og. Une métallisation MK reliée à une borne de cathode K est placée dans l'ouverture Ok et constitue conme précédemment la cathode du circuit de puissance du thyristor. Une couche isolante 35 placée dans l'ouverture Ok2 recouvre une petite portion de la région de cathode 20. Une métallisation MK2 reliée à une borne de cathode auxiliaire K2 recouvre la couche isolante 35. Le thyristor comprend donc deux bornes de cathode. La première borne ou borne principale K est en contact avec la région de cathode et constitue la cathode du circuit de puissance du thyristor. La deuxième borne ou borne auxiliaire K2 est reliée à la région de cathode par l'intermédiaire d'un condensateur Ck dont le diélectrique est la couche isolante 35. La borne auxiliaire K2 constitue une borne de référence de gâchette. L'application d'un signal haute fréquence entre la borne de gâchette G et la borne de référence de gâchette K2 permet d'activer le thyristor. De plus, le générateur du signal haute fréquence est isolé de la partie active du thyristor grâce aux couches isolantes 26 et 35. La figure 4 est un exemple de vue de dessus du thyristor de la figure 3 sans les métallisations. Les périphéries du caisson P 21 et de la couche N 22 sont sensiblement rectangulaires mais pourraient être circulaires ou de toute autre forme. La région N 20 a une forme de rectangle auquel il manque un coin. L'ouverture Og représentée par un cercle est placée dans le coin "manquant" de la région N 20 au- dessus du caisson 21. L'ouverture Ok2 a une forme de banane autour du coin manquant à proximité de l'ouverture Og. L'ouverture Ok découvre la majorité de la région N 20 non découverte par l'ouverture Ok2. La vue en coupe de la figure 3 est réalisée au niveau du plan AA' représenté en figure 4. La figure 5 est une vue en coupe d'un thyristor selon une variante de réalisation de la présente invention. Le thyristor représenté est identique à celui de la figure 3 excepté que la région de cathode de type N 20 formée dans le caisson P 21 est remplacée par deux régions N 40 et 41. La région N 40 est formée sous l'ouverture Ok et la région N 41 est formée sous l'ouverture Ok2. La région N 40 comprend de préférence des trous de court-circuit d'émetteur correspondant à des portions 42 à 46 du caisson P 21. La figure 6 est un exemple de vue de dessus du thyris-35 tor de la figure 5. Cette vue de dessus est sensiblement identi- que à celle de la figure 4 sauf que la région de cathode N 20 est remplacée par deux régions N 40 et 41. La vue en coupe de la figure 5 est réalisée au niveau du plan BB' de la figure 6. Un avantage du mode de réalisation des figures 5 et 6 est qu'il permet d'optimiser à la fois la sensibilité de déclenchement du thyristor et ses caractéristiques de retournement en dV/dt (retournement provoqué par une variation brutale de la tension entre les bornes principales). En effet, on peut considérer que la région N 41, le caisson P 21, la couche N 22 et la région 23 constituent un thyristor "auxiliaire" très sensible car la région de cathode N 41 est placée à proximité de l'ouverture Og de gâchette et qu'aucun trou de court-circuit n'est prévu dans cette région de cathode. Par contre, la région N 40, le caisson P 21, la couche N 22 et la région 23 consti- tuent un thyristor principal dont la tenue en dV/dt est bonne grâce à la présence de trous d'émetteur. Le déclenchement de ce thyristor principal est provoqué par la mise en conduction du thyristor auxiliaire. La figure 7 est une représentation schématique d'un thyristor selon la présente invention. La borne de gâchette G permet d'accéder à la zone de gâchette par l'intermédiaire d'un condensateur. De même, une borne de cathode K principale permet d'accéder directement à la zone de cathode du thyristor. Une borne de cathode auxiliaire K2, ou borne de référence de gâchette, permet d'accéder à la zone de cathode du thyristor par l'intermédiaire d'un condensateur. La borne A permet quant à elle d'accéder directement à la zone d'anode du thyristor. La figure 8 est une vue en coupe d'un commutateur bidirectionnel commandé selon un mode de réalisation de la présente invention. Ce commutateur bidirectionnel est constitué à partir d'un substrat 22 faiblement dopé de type N comprenant du côté de sa face arrière une couche 23 de type P et entouré par un mur 24 de type P. Du côté de la face avant est exposé un caisson 50 de type P dans lequel est formée une région 51 de type N, constituant les deux zones principales de face avant du commutateur. Du côté de la face arrière, une région 52 de type N est formée partout sauf en regard de la région 51 de type N. On trouve ainsi deux composants de type thyristor en antiparallèle respectivement constitués des régions 51-50-22-23 et 50-22-23- 52. La zone de déclenchement est formée dans un prolongement 53 vers l'intérieur du mur d'isolement 24. Dans ce prolongement 53 est formée une région de type N 54. Au dessus de la région de type N 54 est formée une métallisation MG1 reliée à une borne de gâchette G1 et au dessus d'une portion de la région 53 est formée une métallisation MG2 reliée à une borne de gâchette G2. Les métallisations MG1 et MG2 sont isolées des régions semiconductrices sous-jacentes par des couches isolantes 55 et 56. Un tel composant se déclenche quand une tension haute fréquence est appliquée entre les bornes G1 et G2. La figure 9 est une vue en coupe constituant une variante du commutateur bidirectionnel commandé de la figure 8. Dans le cas de la figure 9, au lieu que les régions liées aux bornes G1 et G2 soient formées dans un prolongement vers l'intérieur du mur d'isolement 24, elles sont formées directement dans une partie supérieure de ce mur d'isolement. La figure 10 représente un mode de réalisation d'un triac selon la présente invention. Ce triac est constitué à partir d'un substrat faiblement dopé de type N 22 dont la face arrière est revêtue d'une couche 23 de type P et est entourée d'un mur d'isolement de type P 24. Collure dans le mode de réalisation précédent, ce mur d'isolement peut constituer la limite du composant ou peut constituer une limite entre ce composant et un autre composant formé dans le même substrat. Du côté de la face avant, est formé un caisson 60 de type P dans lequel est formée une région principale 61 de type N. Un exemple de forme de ces régions apparaît dans la vue de dessus de la figure 11. Du côté de la face arrière, une couche 62 de type N est formée sensiblement partout sauf en regard de la région 61 de type N du côté de la face supérieure. Une métallisation MAI reliée à une borne principale Al revêt la face arrière et une métallisation MA2, en contact avec la région 61 et le caisson 60 est formée dans une ouverture d'une couche isolante 65, cette ouverture étant désignée par la référence A2 en figure 11. Au dessus d'une partie du caisson 60 est formée une région de déclenchement. Cette région est représentée comme étant centrale dans la vue en coupe de la figure 10 et comme étant latérale dans la vue de dessus de la figure 11. La région de déclenchement comprend une région 66 de type N au dessus de laquelle est formée une métallisation MG2, avec interposition d'une couche isolante 67 de façon à former un condensateur entre la métallisation MG2 et la région 66. En outre, une métallisation MG1 est formée au dessus d'une portion du caisson 60 avec interposition d'une région isolante 68. Dans la vue de dessus de la figure 11, les ouvertures correspondantes sont désignées par les régions en pointillés G1 et G2. La figure 12 est un schéma équivalent du circuit. Grâce à la commande haute fréquence, les commutateurs bidirectionnels illustrés en figures 8 à 11 peuvent être déclenchés quelle que soit la polarité de la tension appliquée entre les bornes principales Al et A2. De façon générale, la présente invention s'applique à tout type de commutateur de type SCR comprenant au moins quatre couches semiconductrices de types de dopage alternés à travers lesquelles un fort courant est susceptible de passer d'une face à une autre entre deux bornes principales et comprenant une borne de gâchette reliée à une zone de gâchette. Un commutateur selon la présente invention comprend en outre une borne de réfé- rence de gâchette reliée à une zone de référence de gâchette. Chacune des bornes de gâchette et de référence de gâchette est liée à une zone respective du commutateur par l'intermédiaire d'un condensateur intégré. Le commutateur peut être activé par application d'un signal haute fréquence entre les bornes de gâchette et de référence de gâchette. Le circuit de commande n'est donc pas connecté pour le continu à une borne du circuit de puissance. Ceci présente l'avantage qu'il est toujours possible, si on le souhaite, de connecter la face arrière du composant à la masse, ce qui simplifie un montage de radiateur. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'hoiume de l'art. En particulier, les zones d'un coumutateur peuvent être reliées à des bornes par l'intermédiaire d'un condensateur formé au-dessus du commutateur. Les condensateurs peuvent par exemple être constitués entre deux électrodes métalliques, l'une des électrodes étant reliée à une zone du commutateur par un contact conducteur, l'autre électrode étant connectée à une borne du commutateur par un autre contact. REVENDICATIONS 1. Commutateur SCR vertical destiné à être commandé par un signal haute fréquence, comprenant au moins quatre couches principales de types de dopage alternés à travers lesquelles un fort courant est susceptible de passer d'une face à une autre entre deux bornes principales, et comprenant une borne de gâchette reliée à une zone de gâchette par l'intermédiaire d'un condensateur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une borne de référence de gâchette reliée par l'intermédiaire d'un condensateur intégré à une zone de référence de gâchette disposée sur la même face du composant que la zone de gâchette. 2. Commutateur selon la revendication 1 de type thyristor, comprenant du côté de la face avant une zone semiconductrice principale d'un premier type de dopage (20; 40, 41) formée dans une zone semiconductrice de gâchette d'un second type de dopage (21), une première portion de la zone principale étant reliée à une des bornes principales (K), une seconde portion de la zone principale étant reliée à une des bornes de commande (K2) par l'intermédiaire d'un premier condensateur intégré (Ck), et une portion de la zone de gâchette (G) étant reliée à l'autre des bornes de commande par l'intermédiaire d'un second condensateur intégré (Cg). 3. Conuuutateur selon la revendication 2, dans lequel les première et seconde portions de la zone principale sont deux régions semiconductrices disjointes (40, 41). 4. Comnutateur selon la revendication 2, dans lequel la seconde portion de la zone principale et ladite portion de la zone de gâchette sont recouvertes d'une couche isolante (26, 35) et d'une métallisation (MG, MK2), les empilements d'une portion semiconductrice, d'une couche isolante et d'une métallisation constituant lesdits premier et second condensateurs. 5. Commutateur selon la revendication 2, dans lequel la seconde portion de la zone principale et ladite portion de la zone de gâchette sont chacune recouvertes d'une métallisation en contact avec une électrode d'un condensateur intégré dont l'autre électrode est en contact avec une métallisation reliée à une borne principale ou à une borne de commande. 6. Commutateur selon la revendication 2, dans lequel la zone principale est une zone de cathode, la zone principale comprenant une ou plusieurs régions semiconductrices de type N (20; 40, 41) formées dans un caisson de type P (21) constituant la zone de gâchette, le caisson de type P étant formé au-dessus d'une couche semiconductrice de type N (22) sous laquelle est placée une région semiconductrice de type P (23) correspondant à l'anode du thyristor. 7. Commutateur selon la revendication 6, dans lequel ladite seconde portion de la zone principale correspondant à une région de type N (41) est placée entre ladite première portion de la zone principale correspondant à une région de type N et la portion du caisson de type P reliée à la borne de gâchette. 8. Commutateur selon la revendication 6, dans lequel ladite première portion de la zone principale comprend plusieurs trous correspondant à des portions (42 à 46) du caisson de type P (21), une métallisation (MK) reliée à une borne principale (K) recouvrant la première portion de la zone principale et l'ensemble de ces trous. 9. Couunutateur selon la revendication 1 de type triac, comprenant du côté de la face avant une zone semiconductrice principale d'un premier type de dopage (61) formée dans un caisson d'un second type de dopage (60) , la zone principale et le caisson étant reliés à une borne principale (A2), une région de gâchette du premier type de dopage (66) étant formée dans le caisson et étant reliée à une borne de commande (G1) par l'intermédiaire d'un premier condensateur intégré (Ck), et une portion du caisson étant reliée à une borne de référence de gâchette (G2) par l'intermédiaire d'un second condensateur intégré (Cg). 10. Commutateur selon la revendication 1 de type bidirectionnel, comprenant du côté de la face avant une zone 35 semiconductrice principale d'un premier type de dopage (51) formée dans un caisson d'un second type de dopage (50), la zone principale et le caisson étant reliés à une borne principale (A2), l'ensemble étant entourée d'un mur d'isolement (24), une région de gâchette du premier type de dopage (54) étant formée dans le mur d'isolement ou dans une prolongation latérale de celui-ci et étant reliée à une borne de commande (G1) par l'intermédiaire d'un premier condensateur intégré (Ck), et une portion du caisson étant reliée à une borne de référence de gâchette (G2) par l'intermédiaire d'un second condensateur intégré (Cg).