Brevet FR2968835A1 — publié le 20120615

B10617 - 10-T0-313 1 TRIAC QUATRE QUADRANTS Domaine de l'invention La présente invention concerne un triac et plus particulièrement un triac présentant des sensibilités similaires dans les quatre quadrants de déclenchement. Exposé de l'art antérieur On considère ici des triacs verticaux, c'est-à-dire des triacs comprenant, sur une face dite face arrière, une première électrode principale (A2) et, sur la face opposée ou face avant, une deuxième électrode principale (Al) et une élec- trode de gâchette (G). De façon générale, un triac comprend côte à côte des structures PNPN et NPNP constituant deux thyristors tête-bêche. Une partie de la face avant est consacrée à une structure de déclenchement ou de gâchette et permet, quand une tension est appliquée entre l'électrode de gâchette et l'élec- trode principale de face avant, de déclencher le thyristor qui se trouve convenablement polarisé pour la tension appliquée. De façon courante, les triacs actuels sont formés dans un contour sensiblement carré, les thyristors PNPN et NPNP occupant sensiblement la moitié de la surface utile, et une petite partie de cette surface étant consacrée à la structure de déclenchement qui est généralement disposée dans un coin du carré. B10617 - 10-T0-313 2 On distingue de façon générale, quatre quadrants de déclenchement selon les tensions présentes sur les électrodes principales et sur l'électrode de gâchette. En appelant A2 l'électrode principale de face arrière et Al l'électrode princi- pale de face avant et en considérant que l'électrode principale Al qui sert de référence à la gâchette est à un potentiel nul, les quatre quadrants, Q1, Q2, Q3, Q4 sont définis de la façon suivante Les figures 1A, 1B et 1C représentent respectivement une vue de dessus, une vue en coupe selon la ligne B-B et une vue en coupe selon la ligne C-C de la figure 1A d'un triac classique à gâchette en coin. On se référera ci-après de façon générale à l'ensemble de ces figures. La structure est construite à partir d'un substrat semiconducteur 1 faiblement dopé de type N. Elle comprend du côté de la face avant un caisson 3 de type P et du côté de la face arrière une couche 5 de type P. Un premier thyristor NPNPP+ entre l'électrode principale Al et l'électrode principale A2 comprend une région 7 fortement dopée de type N formée dans le caisson P 3 et les régions 3, 1 et 5 ainsi qu'une région 9 plus fortement dopée de type P du côté de la face arrière. Le deuxième thyristor P+PNPN entre l'électrode principale Al et l'électrode principale A2 comprend une région P+ 11 formée dans la partie supérieure du caisson P 3 en contact avec l'électrode Al et du côté de la face arrière une région 13 fortement dopée de type N en contact avec l'électrode A2. Ces deux thyristors ont généralement des surfaces sensiblement égales. La structure de déclenchement est formée dans le caisson P 3. Elle comprend une région 15 fortement dopée de type A2 Al G 0 > 0 > 0 Q1 0 > 0 0 3 N, ayant généralement une forme particulière du type de celle représentée en figure 1A, entourée d'une région fortement dopée de type P 17. La métallisation de gâchette est en contact avec ces deux régions 15 et 17. On notera, en regardant les figures 1A et 1B, qu'il existe une région P de caisson 18, non surdopée entre les régions 15, 17 de gâchette et les régions principales 7, 11 d'électrode de face avant. En figure 1A, le contour de l'électrode principale Al est indiqué par des pointillés et le contour de l'électrode de gâchette G est également indiqué par des pointillés. Sous la zone de gâchette, du côté de la face arrière, est formée une région 19 fortement dopée de type N. On a représenté à la périphérie de la face avant du triac une couche d'arrêt de canal de type N+ 20. Différents types de périphéries pourront être utilisées, notamment selon que le triac est de type planar ou mesa. Ces périphéries ne seront pas détaillées ici puisqu'elles sont bien connues de l'homme de l'art et que ce n'est pas le sujet qui nous intéresse ici. Il est connu que de nombreuses conditions doivent être remplies pour que le déclenchement se produise de façon favorable et de nombreuses topologies de gâchette ont été imaginées, ainsi que de nombreuses formes de la région N 19 placées sur la face arrière en regard de la gâchette. De même, on notera que, de façon générale le dopage du caisson 3 (et donc celui de la couche 5) est choisi en fonction de compromis entre la sensibilité et l'immunité aux déclenchements parasites du triac. Les couches P+ 11, 17 et 9 qui sont nécessaires pour assurer un contact ohmique avec les électrodes auront des formes optimisées pour améliorer la sensibilité du triac. Il demeure que l'homme de l'art se heurte à un compromis. Si le thyristor auxiliaire est rendu trop sensible, le triac présente de forts risques de déclenchement en dV/dt, c'est-à-dire qu'il risque de se déclencher quand la tension entre ses bornes principales varie brutalement alors qu'aucune tension de gâchette n'est appliquée. B10617 - 10-T0-313 4 Il en résulte inévitablement que, dans toutes les structures du type représenté en figure 1, à gâchette en coin, le courant IGT qui doit circuler entre la gâchette et l'électrode principale Al pour déclencher le thyristor est beaucoup plus élevé dans le quadrant Q4 que dans les autres quadrants et que la caractéristique de déclenchement parasite en dV/dt pour l'ensemble des modes de fonctionnement du triac n'est pas optimale. De nombreuses autres variantes de réalisation de triac sont connues de l'homme de l'art. En particulier, de façon générale, il est prévu ce qu'il est d'usage d'appeler des trous de court-circuit d'émetteur dans les régions principales N+ 7 de face avant et N+ 13 de face arrière. Ceci signifie que chacune des couches N+ est interrompue localement de sorte que la région P dans laquelle elle est formée affleure au niveau de ces interruptions. Le mode de déclenchement de cette structure dans le mode Q4 (A2 0) est le suivant. Quand une tension positive est appliquée à la gâchette par rapport à l'électrode principale Al, un courant circule à partir de la métallisation de gâchette G dans la région P 17 et chemine vers la région P+ 11. Le passage de ce courant, notamment par la région 18 le long de la région N+ 7 crée une chute de tension supérieure à 0,6 V et rend passante la jonction entre le caisson P 3 et la région N+ 7. Il en résulte une génération de porteurs sous la région de gâchette et cette génération de porteurs en forte injection modifie le comportement naturellement bloquant de la jonction entre le caisson P 3 et le substrat 1. Le thyristor auxiliaire comprenant les régions 17-3-1-5-19 devient passant et sa mise en conduction entraîne la mise en conduction du thyristor principal 11-3-1-5-13. On a représenté en figure 1A la zone dans laquelle s'amorce le déclenchement dans ce quadrant Q4 (référence Q4). On a représenté de façon similaire la zone d'amorçage dans les quadrants Q1 et Q2 (référence Q1,Q2) et la zone d'amorçage dans B10617 - 10-T0-313 le quadrant Q3 (référence Q3). On note que ces zones d'amorçage sont bien distinctes, ce qui permet de mieux comprendre la difficulté qu'il y a à équilibrer les sensibilités de déclenchement dans les divers quadrants. 5 Résumé Un objet de modes de réalisation de la présente invention est de pallier les inconvénients des structures de triacs connues, et notamment d'améliorer la symétrie de déclenchement d'un triac dans les quatre quadrants tout en ayant un triac à forte immunité aux déclenchements parasites en dV/dt. Pour atteindre cet objet, une caractéristique essentielle proposée par les inventeurs est de modifier la position de la zone de gâchette, et de disposer cette zone de gâchette non pas en coin comme cela est habituellement fait dans les triacs actuels, ni de façon centrale comme cela était fait dans des triacs réalisés il y a de nombreuses années, mais sensiblement au milieu d'un côté de la structure. Plus particulièrement, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un triac vertical quatre quadrants dans lequel la région de gâchette, disposée du côté d'une face avant, comprend une région d'un premier type de conductivité en forme de U, la base du U étant adossée à un côté de la structure, la région principale du deuxième type de conductivité de face avant s'étendant en face de la région de gâchette et étant encadrée de parties de la région principale du premier type de conductivité de face avant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les deux régions principales du premier type de conductivité de face avant se rejoignent par une zone du premier type de conductivité séparant la région du deuxième type de conductivité de gâchette de la région principale du deuxième type de conductivité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la région principale du premier type de conductivité de face arrière s'étend sous la région principale du deuxième type de B10617 - 10-T0-313 6 conductivité de face avant et sous une partie de la région de gâchette du deuxième type de conductivité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une région faiblement dopée du deuxième type de conductivité est maintenue au voisinage de ladite zone du premier type de conductivité, du côté de la gâchette. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier type de conductivité est le type N et le deuxième type de conductivité est le type P. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres 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 : les figures 1A, 1B, 1C sont respectivement une vue de dessus et des vues en coupe d'un triac classique ; la figure 2A est une vue de dessus d'un triac selon un mode de réalisation de la présente invention et les figures 2B et 2C sont des vues en coupe du triac de la figure 2A ; et les figures 3A, 3B, 3C, 4A, 4B, 4C, 5A, 5B, 5C, et 6A, 6B, 6C correspondent respectivement aux figures 2A, 2B, 2C et illustrent les chemins de déclenchement du triac de la figure 2 dans chacun des quatre quadrants. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée Les figures 2A, 2B, 2C représentent respectivement une vue de dessus, une vue en coupe selon la direction BB et une vue en coupe selon la direction CC de la figure 2A d'un triac. Ce triac comprend la même périphérie que celui du triac classique représenté précédemment mais, on l'a déjà noté, de nombreuses variantes peuvent être adaptées et de nombreux B10617 - 10-T0-313 7 types de périphérie peuvent être utilisés, notamment selon que l'on souhaite faire un triac de type planar ou de type mesa. Ce triac comprend les mêmes couches et régions que le triac décrit précédemment mais elles sont réparties et disposées différemment pour optimiser la circulation des courants de déclenchement. Notamment, on retrouve le substrat 1 faiblement dopé de type N, le caisson 3 de type P formé du côté de la face avant et la couche de type P 5 formée du côté de la face arrière ainsi que la partie surdopée 9 de cette couche 5. Dans le caisson 5, la région principale N+ de face avant est disposée symétriquement, sensiblement en forme de H et comprend deux éléments principaux 21 et 22 correspondant aux deux bras du H et une barre centrale 23. La région principale P+ de face avant, 25, est disposée entre les bras du H (en haut dans la figure) et occupe une surface sensiblement égale à celle de l'ensemble des régions N+ 21, 22, 23. Une première électrode principale Al recouvre l'ensemble des régions 21, 22, 23 et 25. La région de gâchette est disposée entre les deux bras du H (en bas dans la figure) et comprend une région 27 en forme de U fortement dopée de type N (N+) et, à l'intérieur du U, également en contact avec l'électrode de gâchette, une région fortement dopée de type P 29. Comme l'illustrent les figures 2A et 2B, il subsiste de préférence une région non surdopée 28 du caisson 3 de type P, entre les régions 27, 29 de gâchette et la barre 23, de la région principale de face avant. On a représenté par des pointillés sur la vue de dessus, le contour 30 de la région principale N+ de face arrière. Cette région s'étend en regard de la région P+ 25 et d'au moins une partie de la zone de gâchette 27, 29. On va maintenant décrire les chemins de déclenchement dans les quatre quadrants du triac ci-dessus. Les figures 3 à 6 reproduisent la figure 2 et on y a indiqué par des flèches, la circulation du courant pendant les diverses phases de déclenchement. B10617 - 10-T0-313 8 Les figures 3A, 3B, 3C concernent le quadrant Q1, (l'électrode principale A2 est à un potentiel positif et l'électrode de gâchette G est à un potentiel positif, l'électrode principale Al étant à un potentiel nul). Dans ce cas, quand une tension de commande est appliquée entre G et Al, un courant a tendance à circuler à partir de la région de gâchette P+ 29 vers la région principale P+ 25. Ce courant circule selon les flèches F1 tout autour des régions N+ 21 et 22 et selon la flèche F2 sous le bras N+ 23. On a également indiqué le courant F2 en figure 3B. Ceci entraîne la mise en conduction de la jonction PN entre le caisson P et les régions N+ 21, 22, 23. Alors, un courant tend à circuler selon les flèches F3 visibles en figure 3B et 3C. La mise en conduction de la jonction entre le caisson P 3 et les régions 21, 22, 23 provoque la génération de porteurs dans le caisson 3 abaissant ainsi la barrière naturellement bloquante de la jonction entre ce caisson et le substrat 1. Il s'ensuit le déclenchement du thyristor constitué entre les électrodes A2 et Al par les régions 9-5-1-3-(21,22), comme cela est indiqué par les doubles flèches F4. Les figures 4A, 4B et 4C illustrent le déclenchement dans le quadrant Q2, c'est-à-dire quand A2 est positif et que G est négatif par rapport à Al. On retrouve au début du déclenchement les circulations de courant F1, F2, mais en sens inverse par rapport aux figures 3A, 3B, 3C. Ceci entraîne la mise en conduction de la jonction PN entre le caisson P 3 et la région N+ de gâchette 27. Alors, un courant tend à circuler selon les flèches F13. La mise en conduction de la jonction entre le caisson P 3 et la région N+ de gâchette 27 provoque la génération de porteurs dans le caisson 3 abaissant ainsi la barrière naturellement bloquante de la jonction entre ce caisson et le substrat 1. Il s'ensuit le déclenchement du thyristor auxiliaire de gâchette 9-5-1-3-27 (flèches F14) puis du thyristor principal 9-5-1-3-(21,22) (flèches F4). Les figures 5A, 5B et 5C illustrent un déclenchement 35 dans le quadrant Q3, et les figures 6A, 6B et 6C illustrent un B10617 - 10-T0-313 9 déclenchement dans le quadrant Q4. Dans les quadrants Q3 et Q4, c'est le thyristor principal P+PNPN 25-3-1-5-30 qui est susceptible de s'amorcer. On retrouve les mêmes circulations de courant d'amorçage que dans les déclenchements dans les premier et deuxième quadrants. L'ordre des évènements est F1-F2, F3, F15 pour le quadrant Q3 et F1-F2, F3, F17, F15 pour le quadrant Q4. Les zones d'amorçage dans chacun des quadrants Q1 à Q4 ont été indiquées dans chacune des figures 3A à 6A. Ainsi, on voit là un avantage notable du dispositif selon la présente invention, qui est que les chemins de courant conduisant au déclenchement du triac sont très similaires, éventuellement avec une inversion de sens de courant dans les quatre quadrants. De plus les zones d'amorçage sont les mêmes dans les quadrants Q1 et Q2, d'une part, et dans les quadrants Q3 et Q4, d'autre part, et les zones d'amorçage dans les quatre quadrants sont voisines. Il en résulte, et cela a été prouvé par des expérimentations, que la sensibilité est la même dans les quatre quadrants. Il n'est pas nécessaire de prendre des mesures particulières pour favoriser un quadrant par rapport aux autres. Des expérimentations ont montré que, quand c'est le thyristor auxiliaire de gâchette qui se déclenche en premier, ce déclenchement est très rapidement suivi par le déclenchement du thyristor principal et se produit au voisinage de l'extrémité des branches du U. Ainsi, il n'est pas nécessaire de prévoir une pénétration importante de la région N+ de face arrière sous la gâchette et ceci augmente l'immunité du triac à des déclenchements parasite en dv/dt. Ainsi, des études comparatives entre le triac des figures 2A-2C et un triac de l'art antérieur tel que celui représenté en figures 1A-1C montrent que le triac décrit ici s'amorce dans les quatre quadrants avec le même courant de gâchette que le courant utile au déclenchement dans les quadants Q1, Q2, Q3 du triac classique. En outre, on a constaté une immunité aux déclenchements parasites en dV/dt presque dix fois supérieure. B10617 - 10-T0-313 10 Bien entendu, les figures sont toutes relativement schématiques, et alors que l'on a représenté les coins des diverses régions avec des coins carrés, dans la pratique, de façon classique, ces coins seront arrondis pour éviter divers phénomènes parasites. On a représenté, chaque fois qu'un contact devait être assuré entre une caisson ou couche P et une électrode, une région surdopée de type P, marquée P+ (régions 9, 25, 29). On notera que dans certaines réalisations ces régions surdopées pourront être omises, si le dopage du caisson ou couche est suffisant et/ou les contacts métal-silicium sont améliorés. De plus, tous les types de conductivité pourraient être inversés. REVENDICATIONS1. Triac vertical quatre quadrants dans lequel la région de gâchette, disposée du côté d'une face avant, comprend une région d'un premier type de conductivité (27) en forme de U, la base du U étant adossée à un côté de la structure, la région principale du deuxième type de conductivité de face avant (25) s'étendant en face de la région de gâchette et étant encadrée de parties (21, 22) de la région principale du premier type de conductivité de face avant. 2. Triac selon la revendication 1, dans lequel les deux régions principales du premier type de conductivité de face avant (21, 22) se rejoignent par une zone du premier type de conductivité (23) séparant la région du deuxième type de conductivité de gâchette de la région principale du deuxième type de conductivité (25). 3. Triac selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la région principale du premier type de conductivité de face arrière (30) s'étend sous la région principale du deuxième type de conductivité de face avant (25) et sous une partie de la région de gâchette du deuxième type de conductivité (29). 4. Triac selon la revendication 2 ou 3, dans lequel une région faiblement dopée du deuxième type de conductivité (28) est maintenue au voisinage de ladite zone du premier type de conductivité (23), du côté de la gâchette. 5. Triac selon l'une quelconque des revendications 1 à 25 4, dans lequel le premier type de conductivité est le type N et le deuxième type de conductivité est le type P.