Brevet FR3069957A1 — publié le 20190208

B16080 - 17-T0-0134 1 COMMUTATEUR UNIDIRECTIONNEL A GACHE TTE RE FERENCEE A L ' E LE CTRODE PRINCIPALE DE FACE ARRIERE Domaine La présente demande concerne un commutateur unidirectionnel et plus particulièrement un commutateur unidirectionnel vertical à gâchette référencée à l'électrode principale de face arrière. La présente demande concerne en outre l'association de ce commutateur unidirectionnel à un thyristor pour former un commutateur bidirectionnel. Exposé de l'art antérieur Les figures LA et 1B sont des reproductions des figures 2A et 2B du brevet européen EP1076366 de la demanderesse. Les figures LA et 1B sont une vue en coupe et une vue de dessus d'un commutateur bidirectionnel monolithique. Seules les parties gauches des figures LA et 1B seront commentées, chacune de ces parties étant délimitée de la partie droite par une droite D en pointillés. Ces parties gauches correspondent à un commutateur unidirectionnel Thl à gâchette référencée à l'électrode principale de face arrière Le commutateur Thl comprend un substrat 1 en silicium faiblement dopé de type N. La face arrière du substrat 1 est 20 recouverte d'une couche 2 dopée de type P formant l'anode du commutateur. Une métallisation d'anode M1 recouvre la couche 2 et B16080 - 17-T0-0134 2 forme l'électrode principale de face arrière Al. Les faces latérales du substrat 1 sont entièrement recouvertes par un mur 7 dopé de type P. Un caisson 4 dopé de type P est formé à partir de la 5 face avant du substrat 1. Une région 3 dopée fortement de type N est formée dans la partie supérieure du caisson 4. Une métallisation de cathode M2 recouvre la face supérieure de la région 3 et forme l'électrode principale de face avant A2. Un caisson 9 dopé de type P est également formé à partir 10 de la face supérieure du substrat 1. Le caisson 9 a, en vue de dessus, une forme rectangulaire et est en contact sur toute sa longueur et ses petits côtés avec le mur 7 de type P, comme cela est représenté en figure 1B. Une région de gâchette 8 dopée fortement de type N est formée dans la partie supérieure du caisson 15 9. Une métallisation M3 recouvre la face supérieure de la région 8 et forme l'électrode de gâchette G. Dans ce type de structure, l'électrode de gâchette G est référencée à l'électrode de face arrière Al qui constitue l'anode du commutateur. Des courts-circuits d'émetteur peuvent être réalisés dans la région 3 de cathode dopée de type N. De même, une région d'arrêt de canal dopée de type N peut être formée dans le substrat 1 autour du caisson 4. Les courts-circuits d'émetteur et la région d'arrêt de canal ne sont pas représentés en figures lA et 1B. Le fonctionnement de ce commutateur est présenté en détail dans le brevet EP1076366. Pour le déclenchement, tandis qu'une tension négative est appliquée sur l'électrode A2 par rapport à l'électrode Al, une tension négative est appliquée sur la gâchette G par rapport à l'électrode Al. Un courant de gâchette ib circule entre la gâchette et l'anode et déclenche un thyristor auxiliaire Tha, formé par la couche 2, le substrat 1, le caisson 9 et la région 8. Le thyristor Tha laisse alors passer un courant ic et déclenche le commutateur Thl. Un courant 'Th' traverse alors le commutateur Thl. B16080 - 17-T0-0134 3 Il serait souhaitable de pouvoir améliorer au moins en partie certains aspects des commutateurs bidirectionnels connus et en particulier leur tenue en dV/dt. Résumé 5 Ainsi, un mode de réalisation prévoit un commutateur unidirectionnel à tenue en dV/dt améliorée. Une autre mode de réalisation prévoit un commutateur bidirectionnel à tenue en dV/dt améliorée. Plus particulièrement on prévoit un commutateur 10 unidirectionnel dont la gâchette est référencée à l'électrode principale de face arrière, comprenant : un substrat de type N ; une couche d'anode de type P recouvrant la face arrière ; un mur de type P entourant les faces latérales du substrat ; des premier et deuxième caissons de type P formés du côté de la face avant du 15 substrat ; une région de cathode de type N formée dans le premier caisson ; une région de gâchette de type N formée dans le deuxième caisson ; une métallisation de gâchette recouvrant la région de gâchette de type N et une partie du deuxième caisson de type P ; et une bande de type P formée dans le substrat et reliant une 20 portion d'un côté du deuxième caisson à une partie supérieure dudit mur. Selon un mode de réalisation, la région de gâchette de type N a, en vue de dessus, une forme rectangulaire comprenant une échancrure au bord de sa partie centrale du côté de la région 25 d'anode. Selon un mode de réalisation, ladite bande a une largeur comprise entre 10 et 50 % de la longueur du côté du deuxième caisson relié à la bande. Selon un mode de réalisation, la région de cathode de 30 type N est traversée par des courts-circuits d'émetteur. Un autre mode de réalisation prévoit un commutateur bidirectionnel comprenant une puce de thyristor à gâchette de cathode et une puce de commutateur unidirectionnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel : les gâchettes du thyristor et du commutateur (A.CS) unidirectionnel sont B16080 - 17-T0-0134 4 connectées ; la cathode du commutateur unidirectionnel et l'anode du thyristor sont connectées ; et l'anode du commutateur unidirectionnel et la cathode du thyristor sont connectées à une électrode de référence. 5 Brève description des dessins Ces 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 : 10 les figures LA et 1B, décrites précédemment, reprennent les figures 2A et 2B du brevet EP1076366 ; les figures 2A et 2B sont une vue en coupe et une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un commutateur unidirectionnel à gâchette référencée à l'électrode principale de 15 face arrière ; et la figure 3 représente un circuit électronique d'un mode de réalisation d'un commutateur bidirectionnel. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes 20 références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait 25 référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "gauche", "droite", ou relative, tels que les termes "dessus" et "supérieur", il est fait référence à l'orientation des figures. Sauf précision contraire, l'expression "de l'ordre de" signifie à 10 % près, de préférence à 5 % près. 30 Les figures 2A et 2B sont une vue en coupe et une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un commutateur unidirectionnel à gâchette G référencée à l'électrode de face arrière Al. La figure 2A est une vue en coupe suivant la droite AZ de la figure 2B. La forme des métallisations présentes en face 35 avant est désignée par des pointillés en figure 2B. B16080 - 17-T0-0134 5 Les figures 2A et 2B présentent des structures semblables à celles des parties gauches des figures LA et 1B. De mêmes éléments qu'en figure 1 sont désignés par les mêmes références en figures 2A et 2B. On y retrouve le substrat 1 dopé 5 de type N dont la face arrière est recouverte par une couche d'anode 2 dopée de type P et dont les faces latérales sont recouvertes d'un mur 7 dopé de type P. La région de cathode 3 dopée de type N est là encore formée en face avant, dans le caisson 4 dopé de type P qui est lui-même formé dans le substrat 1. La 10 région de gâchette 8 est formée en face avant, dans le caisson 9 dopé de type P. Dans ce mode de réalisation, des courts-circuits d'émetteur 10 sont représentés dans le caisson de cathode 3. Ces courts-circuits d'émetteur 10 relient la métallisation M2 au 15 caisson 4 en traversant la région 3. Une différence entre le commutateur des figures LA et 1B et le présent mode de réalisation est que, en figures LA et 1B, la métallisation de gâchette ne recouvre que la région de gâchette 8 dopée de type N, alors que, en figures 2A et 2B, la 20 métallisation de gâchette, référencée M3', recouvre en partie le caisson 9 dopé de type P. Un avantage de cette différence est de désensibiliser le contact de gâchette, c'est-à-dire de rendre le commutateur moins sensible aux déclenchements parasites en dV/dt. Comme cela est illustré en figure 2B, une autre 25 différence est que le caisson 9 n'est pas relié au mur 7 sur toute sa longueur et par ses petits côtés. Le caisson 9 n'est relié au mur 7 que par une bande 12 dopée de type P. La bande 12 est en contact avec une portion du caisson 9 de longueur comprise entre 10 et 50 % de la longueur totale du caisson 9. Cette structure 30 permet de réduire la résistance électrique entre la métallisation de gâchette et la métallisation de face arrière. Dans un commutateur du type de celui de la figure 1 cette résistance est par exemple de l'ordre de 1 MS2 alors que celle du présent mode de réalisation est par exemple comprise entre 100 et 300 Q. La 35 résistance étant moins élevée, le déclenchement du commutateur B16080 - 17-T0-0134 6 nécessite une tension de gâchette plus forte que celle d'un commutateur du type de celle de la figure 1. Le contact de gâchette est alors moins sensible aux variations de tension (dV/dt). La région 8 dopée de type N a une forme générale 5 rectangulaire. Une échancrure 14 est par exemple formée du côté de la région 8 opposé à la liaison par la bande 12 entre le caisson 9 et le mur 7. Dans le cas de la figure 2B, la métallisation de gâchette M3' a une forme rectangulaire. La métallisation de gâchette M3' recouvre en partie la région 8 et en partie le caisson 10 9. Plus particulièrement, les extrémités les plus à droite sur la figure 2B de la région 8 ne sont pas recouvertes par la métallisation M3'. De plus, la métallisation de gâchette dépasse sur le caisson 9 du côté gauche et dans l'échancrure de la région 8. Cette forme particulière de la région 8 contribue à 15 l'insensibilisation de la gâchette tout en facilitant l'amorçage de la structure. Ainsi, le commutateur unidirectionnel des figures 2A et 2B présente une meilleure tenue face aux déclenchements parasites en dV/dt puisque le contact de gâchette est moins sensible. 20 En pratique, une région d'arrêt de canal fortement dopée de type N entoure le caisson 4 mais n'est pas représentée ici. La figure 3 est un schéma électrique d'un commutateur bidirectionnel utilisant, sous forme de deux éléments discrets, un commutateur unidirectionnel ACS du type de celui des figures 25 2A et 2B, et un thyristor à gâchette de cathode Th. Le commutateur unidirectionnel ACS est représenté par un symbole du type de celui d'un thyristor classique à la différence que le contact de gâchette disposé côté cathode (A2) est relié par des pointillés à l'anode (A1). Ce symbole reflète 30 la structure du commutateur des figures 2A et 2B dans laquelle la région de gâchette 8 est reliée à la couche d'anode 2 du commutateur par le mur 7. Cette région de gâchette 8 est localisée côté cathode (A2), en face avant du commutateur. Le commutateur ACS et le thyristor Th sont connectés en 35 antiparallèle entre une borne de référence GND, par exemple la B16080 - 17-T0-0134 7 masse, et une borne de sortie Out. Ainsi, l'anode du commutateur ACS et la cathode du thyristor Th sont connectées à la borne de référence GND, et la cathode du commutateur ACS et l'anode du thyristor sont connectées à la borne de sortie Out. De plus, les 5 gâchettes du commutateur ACS et du thyristor Th sont connectées et forment la gâchette Gtot du commutateur bidirectionnel. Le fonctionnement du commutateur bidirectionnel va maintenant être décrit. Lorsque la borne de sortie Out est positive par rapport 10 à la borne de référence GND, le thyristor Th est susceptible de devenir passant et le commutateur ACS est bloqué. En appliquant une tension sur la gâchette Gtot positive par rapport à la tension sur la borne de référence GND, le thyristor Th devient passant. A noter que, selon sa structure, le thyristor classique Th pourrait 15 également être commandé par une tension de gâchette négative par rapport à la tension de la borne de référence. Lorsque la borne de sortie Out est négative par rapport à la borne de référence GND, le thyristor Th est bloqué et le thyristor ACS est susceptible de devenir passant. En appliquant 20 une tension négative sur la gâchette Gtot par rapport à celle de la borne de référence GND, le commutateur ACS devient passant. Lorsqu'une surtension (dV/dt) positive arrive sur la borne de sortie Out, le thyristor Th est susceptible de devenir passant à cause du déclenchement d'un thyristor parasite existant 25 dans la structure du commutateur ACS, illustré en figures 2A et 2B. Ce thyristor parasite est formé entre les électrodes A2 et G, par le court-circuit d'émetteur 10 et le caisson 4 de type P, le substrat 1 de type N, le caisson 9 de type P et la région 8 de type N. Ce thyristor parasite est donc connecté en figure 3 entre 30 la borne de sortie Out et la gâchette Gtot. Toutefois, le thyristor parasite du commutateur des figures 2A et 2B est peu sensible aux surtensions grâce à la présence du court-circuit, opéré par la métallisation M3', entre la région 8 de type N et le caisson 9 de type P. Ainsi le transistor parasite ne se déclenche pas en cas B16080 - 17-T0-0134 8 de surtension et le commutateur bidirectionnel a une bonne tenue face au dV/dt. Par contre, on notera que le thyristor parasite décrit ci-dessus existe dans la plupart des structures de commutateur 5 unidirectionnel connues, il a alors de façon générale une sensibilité beaucoup plus élevée. Si on considère par exemple le commutateur unidirectionnel Thl présenté en relation avec les parties gauches des figures LA et 1B, le thyristor parasite est présent entre les électrodes A2 et G comme en figures 2A et 2B. 10 Ce thyristor parasite est sensible car la métallisation M3 ne forme pas de court-circuit entre le caisson 9 et la région 8. Un avantage du commutateur bidirectionnel de la figure 3 est qu'il est constitué d'un thyristor et d'un commutateur unidirectionnel formés sur deux puces différentes et qu'aucune de 15 ces deux puces ne nécessite la mise en oeuvre d'une étape de photolithographie en face arrière. Ceci permet en particulier de former les composants sur des plaquettes de silicium de diamètre supérieur à 6 pouces (soit 15,24 cm), par exemple de l'ordre de 8 pouces (soit 20,32 cm), REVENDICATIONS1. Commutateur unidirectionnel dont la gâchette (G) est référencée à l'électrode principale de face arrière (A1), comprenant : un substrat (1) de type N ; une couche d'anode (2) de type P recouvrant la face arrière ; un mur (7) de type P entourant les faces latérales du substrat (1) ; des premier et deuxième caissons (4, 9) de type P formés 10 du côté de la face avant du substrat ; une région de cathode (3) de type N formée dans le premier caisson (4) ; une région de gâchette (8) de type N formée dans le deuxième caisson (9) ; 15 une métallisation de gâchette (v13,) recouvrant la région de gâchette (8) de type N et une partie du deuxième caisson (9) de type P ; et une bande (12) de type P formée dans le substrat et reliant une portion d'un côté du deuxième caisson (9) à une partie 20 supérieure dudit mur (7). 2. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel la région de gâchette (8) de type N a, en vue de dessus, une forme rectangulaire comprenant une échancrure (14) au bord de sa partie centrale du côté de la région d'anode (3). 25 3. Commutateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite bande (12) a une largeur comprise entre 10 et 50 % de la longueur du côté du deuxième caisson (9) relié à la bande. 4. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la région de cathode (3) de 30 type N est traversée par des courts-circuits d'émetteur (10). 5. Commutateur bidirectionnel comprenant une puce de thyristor (Th) à gâchette de cathode et une puce de commutateur unidirectionnel (ACS) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel : B16080 - 17-T0-0134 les gâchettes (Gtot) du thyristor (Th) et du commutateur (ACS) unidirectionnel sont connectées ; la cathode du commutateur (ACS) unidirectionnel et l'anode du thyristor (Th) sont connectées ; et 5 l'anode du commutateur (ACS) unidirectionnel et la cathode du thyristor (Th) sont connectées à une électrode de référence.