FR2495382A1 - Dispositif redresseur commande par effet de champ - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les redresseurs de puissance. Un redresseur à semiconducteur est conçu de façon à être bloqué en l'absence de polarisation et il peut être commuté à l'état conducteur par l'application d'une polarisation à une grille 68, 69 d'une structure MOS intégrée de façon monolithique au redresseur, de manière à induire un canal conducteur entre l'anode 62 et la cathode 64 du redresseur. Le dispositif assure le blocage en sens direct et en sens inverse et il a une faible chute de tension directe à l'état conducteur. Application aux circuits de commande de moteurs. (CF DESSIN DANS BOPI)
Description
La présente invention concerne les dispositifs semiconducteurs à effet de
champ de puissance, et elle
porte plus particulièrement sur des redresseurs à semi-
conducteurs commandés par champ qui comportent une struc-
ture de commande à effet d e champ intégrée de façon mono-
lithique à la structure de redresseur.
Pour les applications de commutation de puissance, dans des systèmes électriques tels que les circuits de commande de moteur et les alimentations fonctionnant à des
fréquences basses à moyennes (0-2000 Hz), il est souhaita-
ble de disposer de performances correspondant à une vitesse élevée et de faibles pertes, avec des niveaux élevés de courant et de tension. Les dispositifs à trois bornes de
l'art antérieur qu'on peut utiliser pour commander la puis-
sance fournie à une charge comprennent le transistor à effet de champ MOS et le thyristor à grille MOS. Parmi
les transistors MOS de puissance de l'art antérieur figu-
rent ceux qui sont décrits dans le brevet U.S. 4 072 975
et le brevet U.S. 4 145 703. Les figures 1 et 2 représen-
tent schématiquement des coupes caractéristiques de tran-
sistors MOS de puissance et la figure 3 montre leurs carac-
téristiques de fonctionnement. Ces dispositifs ont été fabriqués soit en employant les techniques de diffusion
du. type plan pour former une structure DMOS 20, comme re-
présenté sur la figure 1, soit en réalisant par attaque des sillons en V pour former une structure VMOS 21, comme
représenté sur la figure 2. Dans chaque cas, pour des ten-
sions positives appliquées au drain, les jonctions 22, 23
entre les régions de base P, 24, 25, et les régions de dé-
placement de type N, 26, 27, représentées respectivement sur les figures 1 et 2, bloquent la circulation du courant entre les drains 28, 29 et les sources 30, 31, en l'absence
de polarisations de grille. L'application d'une polarisa-
tion de grille positive suffisamment élevée, par rapport à la source, entraîne la formation d'une couche d'inversion de type N, 32, 33, dans les régions de base respectives de
type P, sous les électrodes de grille respectives 34, 35.
Cette couche d'inversion permet la conduction d'un courant électrique du drain vers la source, ce qui produit la caractéristique de conduction en sens direct représentée
sur la figure 3. L'augmentation de la polarisation de gril-
le, par exemple de VG1 à VG5augmente la conductivité de la couche d'inversion et permet ainsi la circulation d'un
courant de drain IDS plus élevé. Pour des tensions négati-
ves appliquées au drain, le dispositif conduit le courant comme une diode à jonction P-N polarisée en sens direct et il ne peut pas bloquer la circulation du courant. De ce fait, on ne fait fonctionner ces dispositifs qu'avec des tensions
positives appliquées au drain.
Dans les transistors MOS, il ne circule qu'un courant de porteurs majoritaires (électrons) entre le drain et la source. La circulation de ce courant est donc
limitée par la concentration en porteurs majoritaires (élec-
trons ici) dans les régions de canal et de déplacement, ce qui détermine leur résistivité. Dans le cas de dispositifs conçus pour fonctionner à plus de 100 V, la résistance de la région de déplaoement devient grande du fait que la concentration en porteurs majoritaires dans cette région doit être faible et que la largeur de cette région (W) doit
être grande pour supporter les tensions de blocage du dis-
positif. Du fait de la résistance élevée de la région de déplacement, on doit faire fonctionner les transistors MOS à tension élevée avec des densités de courant faibles, pour obtenir de faibles chutes de tension en sens direct. Une densité de courant de fonctionnement caractéristique est d'environ 50 A/cm, avec une chute de tension directe de 1,5 V pour un dispositif capable de bloquer jusqu'à 600 V. Malgré cet inconvénient d'une résistance élevée à l'état conducteur, les transistors MOS de puissance ont
l'avantage de nécessiter des niveaux de puissance d'atta-
que de grille inférieurs à ceux des transistors bipolaires, du fait que le signal de tension de grille est appliqué de part et d'autre d'une couche isolante. Dans ces dispositifs, on peut également bloquer le courant de drain en diminuant
la tension de grille jusqu'au potentiel de source. Ce bloca-
ge par la grille peut être effectué avec un gain en courant
plus élevé que pour les tr msistors bipolaires.
Le thyristor à grille MOS est un autre type de
dispositif de l'art antérieur. Des dispositifs caractéris-
tiques de ce type sont décrits dans le brevet GB 1 356 670, le brevet U.S. 3 753 055 et le brevet U.S. 3 831 187. Un thyristor à grille MOS est une structure de thyristor PNPN, représentée schématiquement sur les figures 4 et 5, dans
laquelle on peut déclencher un amorçage avec réaction posi-
tive en appliquant une tension sur une grille MOS. Dans le dispositif 40 de la figure 4, la grille MOS est formée sur une surface 41 qui part de la cathode N+ 42, traverse la base P 43 et pénètre dans une petite partie de la base N 44. Dans le dispositif 50 de la figure 5, la grille MOS est formée sur une surface 51 qui s'étend le long d'un sillon en V 52 et qui part de la cathode N+ 53, traverse la
couche de base P 54 et pénètre dans la base N 55. Ces dis-
positifs bloquent la circulation du courant avec des ten-
sions positives ou négatives appliquées sur leurs anodes
respectives 45, 46, en l'absence de polarisation de grille.
Cependant, pour des tensions d'anode positives, les dispo-
sitifs peuvent être amenés dans le mode de conduction par l'application d'une tension positive appropriée sur les
grilles respectives 46, 57. Lorsqu'une tension de grille po-
sitive est appliquée, le champ électrique de part et d'autre
des couches d'oxyde de grille 47, 58 produit un appauvris-
sement en porteurs dans la base P, sous l'électrode de grille. Il en résulte que la couche d'appauvrissement dans la base P s'étend plus près de la région de cathode N+, sous la grille. Ceci réduit l'épaisseur de la région de base P non appauvrie du transistor NPN supérieur, sous
l'électrode de gri le, et augmente donc son gain en courant.
On sait parfaitement qu'une structure de thyristor PNPN com-
mute d'un état de blocage du courant à un état de conduction
du courant lorsque la somme des gains en courant des tran-
sistors NPN et PNP, soit respectivement 0<NPN et < PNP' dé-
passe l'unité. Dans le thyristor à grille MOS, lorsque la polarisation de grille augmente, le gain du transistor NPN supérieur augmente jusqu'à ce que 0 NPN +U. PNP dépasse l'unité. A ce point, une forte injection de porteurs doit
avoir lieu de la cathode N+ vers la base P pour que le dis-
positif commute à l'état conducteur. Ceci nécessite que la jonction N+ P soit polarisée eu sens direct avec une tension supérieure à 0,5V. Une fois que ceci a lieu, le dispositif commute à l'état conducteur et la suppression de la tension de polarisation de grille ne ramène pas le
dispositif à l'état bloqué, à cause de l'action de réac-
tion positive d'auto-entretien qui est inhérente à la structure de thyristor PNPN. Ainsi, ces dispositifs ont l'avantage de nécessiter une faible puissance de grille pour amorcer le thyristor par l'intermédiaire de la grille MOS, mais ils ne présentent pas de possibilité de blocage par la grille. Le dispositif doit donc être ramené à
l'état de blocage par l'inversion de la polarité de l'ano-
de. La figure 6 représente la caractéristique du thyris-
tor à grille MOS et elle montre que les dispositifs de ce
type présentent une caractéristique à résistance négative.
L'invention a pour but de réaliser un redresseur
commandé par effet de champ et capable d'acheminer un cou-
rant élevé, qui offre des possibilités de blocage en sens
direct comme en sens inverse, et une faible chute de ten-
sion directe, ce redresseur pouvant être commuté à l'état conducteur et bloqué avec une faible tension de grille et
un très faible courant, et donc avec une faible puissance.
L'invention a également pour but de réaliser un dispositif qui ait un gain de blocage par la grille très élevé, des possibilités élevées de di/dt, et des possibilités élevées de dv/dt. L'invention a également pour but de réaliser un dispositif capable de fonctionner sans être détérioré à
des niveaux élevés de température et de rayonnement.
L'invention consiste donc en une combinaison in-
tégrée de façon monolithique d'un redresseur et d'une struc-
ture de commande à effet de champ, destinée à commander l'état conducteurbloqué du redresseur en induisant un canal conducteur dans une région du redresseur, dans-le but de commander l'état conducteur-bloqué de jonctions PN dans le redresseur. Le redresseur 'comprend une structure à couches multiples dans un bloc de matière semiconductrice ayant un contact sur une surface du bloc et un autre contact sur une autre surface du bloc. La structure de commande à effet de champ induit un canal conducteur dans un élément du redresseur pour établir un chemin conducteur de l'électricité qui connecte l'un des contacts à un second
élément du redresseur.
La suite de la description se réfère aux dessins
annexés qui représentent respectivement: Figures 1 et 2: des coupes schématiques partielles de transistors à effet de champ de puissance à grille MOS;
Figure 3: une représentation graphique des carac-
téristiques des transistors représentés schématiquement sur les figures 1 et 2; Figures 4 et 5: des coupes schématiques partielles de thyristors à grille MOS
Figure 6: une représentation graphique d'une ca-
ractéristique typique des thyristors représentés sur les figures 4 et 5;
Figure 7: une représentation schématique par-
tielle, en coupe, d'un redresseur commandé par grille con-
forme à l'invention; Figures 8 à 13: des représentations schématiques
partielles, en coupe, d'autres modes de réalisation du re-
dresseur commandé par grille correspondant à l'invention Figure 14: une représentation graphique de la
caractéristique du redresseur commandé par grille de l'in-
vention
Figure 15: une représentation graphique compara-
tive de signaux de commutation caractéristiques pour les
dispositifs de l'art antérieur et pour le redresseur com-
mandé par grille de l'invention.
La figure 7 représente une forme de la structure fondamentale du dispositif de l'invention. Le dispositif 60 comprend un bloc 61 de matière semiconductrice telle que du silicium, qui comporte une première couche 62 d'un type de conductivité, P sur la figure 7, et une région de
base 63 de conductivité opposée, N sur la figure 7. La pre-
mière couche 62 peut être réalisée par diffusion dans un bloc pour produire la structure anode-base du dispositif, ou bien on peut faire croître une couche par épitaxie sur
un bloc du type de conductivité désiré, pour produire la-
combinaison à deux couches. Plusieurs îlots 64, qui sont ici du type de conductivité P, sont formés par diffusion ou par toute autre technique appropriée dans la couche 63,
en étant espacés les uns des autres et contigus à la sur-
face libre 65 du bloc 61. Un îlot N+ 66 est formé dans la couche de base 63, à côté de l'îlot 64. Les niveaux de dopage caractéristiques pour la couche de type N 63 sont dans la plage de 1013 à 1016 cm 3 pour les porteurs de
type N; pour la couche d'anode 62, de type P, les concen-
trations de dopage caractéristiques sont dans la plage de 10 8 à 10 cm 3 pour les porteurs de type P; pour les
îlots 64 de type P, les concentrations de dopage caracté-
ristiques sont de 1016 à 1018 cm 3; et pour les îlots 66 de type N+, les concentrations de dopage caractéristiques
18 29 -3
sont de 10 à 10 cm. Une couche 67 en matière diélec-
trique est formée sur une partie de la surface libre 65
comprenant une zone de la surface extérieure d'îlots 64 ad-
jacents et la région de la couche de base 63 qui sépare les îlots 64 adjacents et qui contient l'îlot 66. Un contact 68, 69 en matière conductrice, telle que de l'aluminium ou du silicium polycristallin conducteur, est formé sur la couche diélectrique 67, et recouvre une partie d'un îlot
64 et une partie de la couche de base 63, en position ad-
jacente à l'îlot 64, pour faire fonction d'électrode de grille. Une couche 70 de matière conductrice telle que de l'aluminium ou du silicium polycristallin conducteur, est déposée sur le centre de chacun des lots 64 pour former
un contact ohmiqu e avec ce dernier. Une couche 72 de ma-
tière conductrice, telle que de l'aluminium ou du silicium polycristallin con dcteur, est déposée sur la surface 71 du bloc 61, pour former un contact ohmique avec la couche 62. Bien qu'on ait représenté des bandes pour le motif de surface supérieur des contacts conducteurs 68, 69 et 70 sur la figure 7, l'homme de l'art notera qu'on pourrait utiliser de nombreux motifs géométriques de contact répétitifs, comme de petits plots de contact disposés sur la surface à faible distance les uns des autres. Le dispositif est fortement interdigité, c'est-à-dire que la largeur des bandes individuelles est faible et que le nombre total de bandes est élevé. Le motif est répété dans la direction
latérale pour couvrir la totalité du dispositif semiconduc-
teur. Chacun des contacts conducteurs s'étend jusqu'à un bord latéral du dispositif, au niveau duquel les contacts 68, 69 sont connectés à une source de potentiel électrique, les contacts 70 sont connectés à une source de potentiel électrique d'une polarité différente de celle de la source
connectée aux contacts 68, 69, et le contact 72 est connec-
té à une source de potentiel électrique d'une polarité
différente de celle de la source connectée aux contacts 70.
Le dispositif représenté sur la figure 7 présen-
te les caractéristiques de fonctionnement représentées sur la figtre 14 et il fonctionne de la manière suivante. Le
contact 70 étant au potentiel de la masse, et aucune polari-
sation n'étant appliquée à l'électrode de grille 68, l'ap-
plication de tensions négatives au contact 72 ne fait cir-
culer aucun courant du fait que la jonction 73 est polari-
sée en sens inverse. Ceci procure la possibilité de blocage en inverse. Lorsqu'aucune polarisation n'est appliquée à
l'électrode de grille 68, l'application de tensions posi-
tives au contact 72 ne fait à nouveau circuler aucun cou-
rant, du fait que la jonction 74 est polarisée en inverse.
Ceci procure la possibilité de blocage en direct, ainsi qu'une caractéristique désirée de blocage du dispositif au repos. Cependant, si une polarisation positive est appliquée
sur l'électrode de grille 68, une couche d'inversion s'éten-
dant du contact ohmique 70 vers la base N 63 peut se former sous la grille dans la base P de la région 78 de l'lot 64, immédiatement au- dessous de la couche isolante 67, et une couche d'accumulation de poteurs de charge de type N peut
se former dans la région 79 de la base N 63. La couche d'in-
version de type N qui se trouve maintenant dans la région 78 de l'îlot P 64 et la-couche d'accumulation dans la région 79 de la base N connectent maintenant le contact ohmique 70 à l'flot N+ 66, au milieu du dispositif. Une polarisation positive appliquée au contact 72 fait maintenant circuler un courant de la couche P+ 62, faisant fonction d'anode, vers l'ilot N+ 66, puis ensuite vers le contact 70, fai-
sant fonction de cathode, en passant par la couche d'accu-
mulation de type N 79 et la couche d'inversion de type N 78. Le chemin allant de la couche 62 vers l'ilot N+ 66 fonctionne d'une manière analogue à celle d'une diode P-I-N,
1.0 représentée en 80 sur la figure 7, et la région de comman-
de par effet de champ est encadrée en 81. La conductivité
du chemin de courant traversant la base N 63 entre la cou-
che P+ 62 et l'ilot N+ 66 sera modulée (augmentée) par la
circulation du courant dû à l'injection d'une concentra-
tion élevée de porteurs minoritaires (des trous ici) dans
la base N 63, à partir de la couche 62. Du fait que la ten-
sion est supportée par la base N 63 dans les modes de blo-
cage en direct et en inverse, la largeur W du chemin situé entre la couche P+ 62 et l'îlot P 64 déterminé les tensions de blocage maximales. On doit augmenter cette largeur pour permettre le fonctionnement avec des tensions élevées. La circulation d'un courant avec modulation de conductivité est donc très importante pour obtenir une faible chute de tension directe avec des d Esités élevées de courant direct
dans des dispositifs à haute tension. Une densité caracté-
ristique de courant direct en fonctionnement est d'environ 500 A/cm2 pour une chute de tension directe de 1,5 V, pour
un dispositif capable de bloquer jusqu'à 600 V. Si on inver-
se tous les types de conductivité, on peut obtenir des caractéristiques de performances similaires en appliquant
des potentiels électriques de polarités opposées aux con-
tacts conducteurs.
La figure 8 représente schématiquement un autre mode de réalisation du redresseur à commande par grille de l'invention. Le dispositif 90 de la figure 8 diffère de
celui de la figure 7 par la suppression de l'îlot Né 66.
La suppression de 1' Ilot 66 nécessite l'application d'un potentiel approprié au contact de grille 91 pour créer une couche d'accumulation 99 sous la couche diélectrique 67, afin de produire une région de porteurs de type N sous la grille. Pour réaliser ceci avec la plus faible résistance d'étalement dans le chemin de circulation du courant sous la grille, il faut que le contact de grille 91 s'étende sur la totalité de la largeur de la région de grille qui
relie les!lots 64 adjacents. Un contact de largeur infé-
rieure créerait la couche d'accumulation 99 nécessaire de porteurs N sous la grille pour remplir la fonction des !lots N+ 66, dans le cas de l'application d'un potentiel approprié à la grille. Cette diminution de l'aire de la
grille entraîne une diminution de la capacité de grille.
Lorsqu'une polarisation positive est appliquée à la grille
de la structure de commande à effet de champ qui est dési-
gnée par le cadre 93, une structure à trois couches est
formée dans la région entourée par le rectangle en pointil-
lés 92, qui fonctionne à la manière d'une structure P-I-N.
Le chemin du courant dans le redresseur fait intervenir
la couche 62, la région de base N 94, la couche d'accumu-
lation N 99, une couche d'inversion 79 et le contact ohmi-
que 70.
La figure 9 représente schématiquement un autre
mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 100 com-
prend une région P 62, une région de base 94, des îlots P 102 et plusieurs lots N+ 101, dans chacun des îlots P 102. Dans ce mode de réalisation, les îlots 101 établissent un contact entre la couche d'inversion située dans les
îlots 102 et le contact conducteur 70. Deux contacts conduc-
teurs 107, séparés par un espace 108, sont disposés sur la couche diélectrique 67 de façon à recouvrir une partie des !lots 101, une région des!lots 102 et une partie de la
base 94. L'application d'une polarisation de grille posi-
tive à une électrode de commande 107, à l'intérieur du cadre en pointillés 103, produit une couche d'accumulation dans la région de base N, située immédiatemaet sous la grille, et
une couche d'inversion dans l'îlot P 102, située immédiate-
ment sous la couche diélectrique 67 et s'étendant de l'îlot N+ 101 à la base N 94, en fermant le chemin de courant qui va
de la base N à l'îlot N+ 101, en passant par l'îlot P 102.
Cette structure comporte un thyristor P-N-P-N parasite situé dans l'anode 62, la base 94, l'îlot P 102 et les
îlots N+ 101, dans la région désignée par le cadre 106.
Pour obtenir les performances désirées pour ce dispositif, en ce qui concerne la commutation à l'état de blocage, au moment de la suppression de la polarisation de grille, il
est très important que le mécanisme d'amorçage par réac-
tion positive dans ce thyristor parasite soit supprimé.
On peut parvenir à ceci en empêchant que les îlots N+ 101 injectent des électrons dans les îlots P 102
respectifs, ce qui évite donc le déclenchement du mécanis-
me d'amorçage par réaction positive du thyristor P-N-P-N.
La suppression de l'injection de porteurs à partir des
îlots N+ 101 peut être obtenue en donnant une faible di-
mension latérale (L) aux îlots N+ 101. La dimension laté-
rale (L) des îlots N+ 101 doit être suffisamment faible pour que, lorsque le dispositif conduit le courant du canal 78 vers le contact de cathode 70, la polarisation directe de la jonction 105 entre les îlots N+ 101 et l'îlot
P 102 ne dépasse pas 0,5 V. Une autre technique qu'on pour-
rait utiliser pour supprimer l'amorçage par réaction posi-
tive du thyristor P-N-P-N, consiste à introduire des centres de recombinaison dans la région P 102 et la base N 94, afin de réduire les gains 0< NPN et o< PNP' On peut former des centres de recombinaison par diffusion dans le substrat
d'impuretés de niveaux profonds, comme de l'or, ou par irra-
diation du substrat avec des particules d'énergie élevée
comme des électrons.
Les caractéristiques distinctives entre un thyris-
tor à commande par grille MOS, tel que celui représenté sur la figure 4, et le dispositif de l'invention, représenté
sur la figure 9, consistent premièrement en ce que le dis-
positif de l'invention contient des régions N+ 101 de dimen-
sion latérale (L) beaucoup plus faible, pour éviter l'ac-
tion d'amorçage par réaction positive qui est caractéristique du thyristor à commande par grille MOS. Secordement, dans le redresseur à enrichissemen t par la grille, le courant d'anode il
circule exclusivement par l'intermédiaire du canal conduc-
teur qui est formé dans l'îlot P 102, vers le contact de
cathode 70, lorsque le dispositif conduit le courant, tan-
dis que le courant du thyristor à grille MOS circule verti-
calement dans tout l'îlot P 102, sous l'îlot N+ 101. Troi-
sièmement, dans le redresseur à enrichissement par la gril-
le, on peut arrêter le courant d'anode en supprimant la
tension de grille appliquée, pour induire le canal conduc-
teur dans les îlots P 102, tandis que le courant d'anode du thyristor à grille MOS continue à circuler après la suppression de la tension de grille, à cause de la nature auto-entretenue de l'action du thyristor P-NP-N à réaction positive. On note que le mode de réalisation de la figure 8 évite ce problème par l'élimination des îlots N+ dans
les îlots P 102.
Dans un autre mode de réalisation représenté sur la figure 10, un îlot N+ 111, emplissant toute la largeur entre les îlots P 114 adjacents et la base N 113, et venant en contact avec une partie des îlots Pest formé dans la base N. Lorsqu'une polarisation positive est appliquée à la grille 115, une couche d'inversion est créée dans la région des îlots P immédiatement au-dessous de la grille, et le chemin de conduction de courant de 1' Ilot N+ 111 vers le contact de cathode 116 est établi, ce qui débloque le dispositif et permet la circulation d'un courant dans la diode P-I-N désignée par le cadre 112, et vers le
contact de cathode 116, par la couche d'inversion.
Dans le mode de réalisation qui est représenté sur la figure l1, des îlots N+ 125 ont été ajoutés aux îlots P 124 du dispositif 120, et ces îlots 125 établissent des
chemins de circulation du courant depuis la couche d'inver-
sion présente dans les îlots de type P 124, vers le contact
conducteur 116, lorsqu'une polarisation positive est appli-
quée à l'électrode 117, dans la structure de grille 118, dans le but de débloquer la diode P-I-N 119. Ce mode de réalisation contient également le thyristor P-N-P-N parasite décrit en liaison avec le mode de réalisation représenté sur la figure 9. Comme indiqué précédemment en relation avec la figure 9, on peut supprimer le mécanisme d'amorçage par réaction positive de ce thyristor parasite, en maintenant une faible dimensiom latérale (L) pour l'îlot N+ 125, et en établissant des centres de recombinaison dans les îlots P 124 et la base N 113. On notera que le mode de réalisa- tion de la figure 10 évite ce problème par l'élimination
des!lots N+ à l'intérieur des îlots P 102.
Dans le dispositif 130 qui est représenté schéma-
tiquement sur la figure 12, des îlots P+ 133, fortement
dopés, ont été ajoutés aux îlots P 132 dans la base N 131.
Le chemin du courant comprend la diode P-I-N 134 qui est
créée lorsqu'une polarisation positive par rapport au con-
tact conducteur 137 est appliquée à la grille 136 dans la structure commandée par grille 135, pour produire une
couche d'accumulation-immédiatement au-dessous de la cou-
che diélectrique 67. Une ccuche d'inversion est produite dans l'îlot P 132 entre l'îlot P+ 133 et la base N 131, pour permettre la circulation du courant de l'anode vers
la cathode.
La figure 13 représente encore une autre struc-
ture de dispositif qui utilise l'invention. Le bloc de matière semiconductrice pour un dispositif 140 comporte une région de base N 141, faiblement dopée, et une région N 142, plus fortement dopée. Dans la région de base 142, des
îlots P+ 143 sont formés en position adjacente à une surfa-
ce libre principale 144 du bloc. Des îlots P 145 sont for-
més dans la région N 141 et des îlots N+ 150 sont formés
dans les Ilots P 145, en position adjacente à l'autre sur-
face principale 146 du bloc. Pour une densité de courant donnée, en conduction en sens direct, cette structure donne une plus faible chute.de tension directe dans la diode 152 que les modes de réalisation décrits précédemment, pour la
même capacité de blocage en sens direct. Cependant. la capa-
cité de blocage en sens inverse est réduite à cause de la
mise en court-circuit des îlots 143 par le contact conduc-
teur 147. Les caractéristiques de fonctionnement de ce dis-
positif sont similaires à celles des autres modes de réalisa-
tion lorsqu'une polarisation directe est appliquée. Lorsqu'une polarisation inverse est Eppliquée au contact conducteur 147, en l'absence de polarisation sur l'électrode de grille 148, dans la structure commandée par grille 151, on obtient une caractéristique, représentée en 160 sur la figure 14, qui est notablement différente dans la mesure o le claquage se produit pour une polarisation inverse
*beaucoup plus faible.
La figure 14 montre les caractéristiques de fonctionnement du redresseur commandé par grille. Dans ce dispositif, la jonction 73 bloque la circulation du courant lorsque des tensions négatives sont appliquées au contact d'anode 72, ce qui donne au dispositif une capa-
cité de blocage en inverse allant jusqu'au niveau auquel le claquage se produit, conme on le voit en 161. Lorsque
des tensions positives sont appliquées au contact d'ano-
de 72, la jonction 74 devient polarisée en inverse et
bloque la circulation du courant, ce qui donne la possi-
bilité de blocage en direct, en l'absence de polarisation de grille, jusqu'au niveau auquel le claquage se produit, comme on le voit en 162. Cependant, si une polarisation positive est appliquée à la grille, ceci crée un chemin de circulation du courant de la jonction d'anode 73 vers
le contact de cathode 70, ce qui donne les caractéristi-
ques représentées pour chacune des tensions de grille VG1- VG4. Pour des tensions de grille élevées (VG4), la conductivité de la couche d'inversion est élevée et le dispositif présente des caractéristiques semblables à celles d'une diode à jonction PN. Dans ce cas, la région d'anode P+ injecte des porteurs minoritaires dans la base N et module (augmente)-fortement la conductivité de la base N. Il en résulte qu'on peut faire fonctionner le dispositif avec des densités de courant élevées (soit de façon caractéristique 500 A/cm 2), avec une faible chute de tension directe (enviram 1,5 V). Pour des tensions de grille plus faibles (VGî, VG2' VG3), la circulation du
courant peut être limitée par la conductivité de la cou-
che d'inversion, ce qui donne la saturation en courant
représentée sur la figure 14. Ces caractéristiques du dis-
positif se distinguent de celles d'autres dispositifs de
l'art antérieur. Par rapport au transistor MOS, le redres-
seur à enrichissement par grille peut être utilisé avec
des densités de courant plus élevées, à cause de la modu-
lation de la conductivité de la base N par la circulation du courant d'anode. Contrairement au transistor MOS, ces
dispositifs présentent également une possibilité de blo-
cage en inverse. Par rapport au thyristor à commande par grille MOS, le redresseur à enrichissement par grille se distingue par l'absence d'une région à résistance négative
dans les caractéristiques directes. Cette région à résis-
tance négative dans le thyristor résulte du phénomène d'amorçage par réaction positive qui est absent dans le
redresseur à enrichissement par grille.
Contrairement au thyristor à commande par
grille MOS, aucun amorçage par réaction positive auto-
entretenue ne se produit dans le dispositif redresseur à enrichissement par grille. Par conséquent, si la tension de grille est réduite au potentiel de cathode alors que le dispositif conduit du courant, la couche d'inversion située sous l'électrode de grille cesse d'exister et le courant d'anode est bloqué. Ce blocage se produit en
deux phases. Tout d'abord, la majeure partie de la char-
ge injectée et emmagasinée dans la base N est extraite par le courant qui traverse la jonction 74 en direction de la région P 145, jusqu'à ce que cette jonction soit polarisée en sens inverse. Après ce point, le reste de la charge emmagasinée de porteurs minoritaires décroît par recombinaison.
On peut comparer la caractéristique de commuta-
tion du transistor MOS, du thyristor à commande par grille
MOS et du redresseur à enrichissement par grille, en s'ai-
dant de la figure 15. Sur cette figure, la tension de gril-
le est appliquée à l'instant t1 et supprimée à l'instant t2, pour les trois cas, comme le montre la trace 164. A l'instant t2, le transistor MOS se bloque rapidement, comme
le montre la trace 165, et la durée de la condition tran-
sitoire de blocage est déterminée par la charge de la capa-
cité de grille. Cependant, le thyristor à commande par grille MOS continue à conduire le courant, même après que la tension de grille a été réduite à zéro à l'instant t2,
comme le montre la trace 166, du fait que dans ces dispo-
sitifs, la circulation du courant est entretenue par le mécanisme de réaction positive interne. Au contraire, le
redresseur à enrichissement par grille se bloque à l'ins-
tant t2, comme le mDntre la trace 167, du fait que la couche d'inversion située sous l'électrode de grille cesse d'exister lorsque la tension de grille est réduite à zéro, et ceci interrompt le chemin de circulation du courant entre les bornes d'anode et de cathode. Dans ce cas, les porteurs minoritaires que l'anode injecte dans la base N pour moduler sa conductivité pendant la conduction du courant en sens direct, sont extraits par conduction à travers la jonction 74, jusqu'à ce que cette dernière devienne polarisée en sens inverse, comme indiqué au point
168. Les porteurs minoritaires éventuels qui restent dis-
paraissent alors progressivement par recombinaison. Par conséquent, le redresseur à enrichissement par grille se bloque à l'instant t1, comme le transistor MOS, mais il se bloque plus lentement à cause de la conduction d'un courant bipolaire. Il faut noter que cette vitesse de commutation
plus lente du redresseur à enrichissement par grille con-
vient pour de nombreuses applications, comme les circuits de commande de moteurs, tandis que sa faible chute de tension directe, en comparaison avec le transistor MOS, est un
avantage important, du fait qu'elle réduit la puissance dissi-
pée et améliore donc le rendement de la commutation de puis-
sance. D'autres avantages consistent dans une meilleure ca-
pacité à tolérer des pointes de courant, dans la possibilité
de fonctionnement à température plus élevée, et dans la to-
lérance d'un niveau de rayonnement élevé,cequjiest rendu
possible par la suppression de l'amorçage par réaction posi-
tive décrit ci-dessus.
Claims (19)
1. Dispositif redresseur à enrichissement par
grille, caractérisé en ce qu'il comprend: un bloc de ma-
tière semiconductrice (61); un redresseur disposé dans ce bloc et comportant un premier élément conducteur de l'électricité (72) en contact avec une première surface libre (71) du bloc, et un second élément conducteur de l'électricité (70) en contact avec une seconde surface libre (65) du corps; et des moyens de commande à effet de champ (67, 68, 69) qui sont disposés en position adjacente au redresseur de telle façon qu'une électrode de commande (68, 69) des moyens de commande soit placée en position adjacente à une région (66) du redresseur d'un premier type de conductivité, afin de commander l'état conducteur-bloqué
du redresseur en induisant un-canal de conductivité oppo-
sée dans cette région du redresseur.
2. Dispositif redresseur selon la revendication
1, caractérisé en ce que le redresseur comprend: une pre-
mière couche (62) du bloc de matière semiconductrice, adjacente à la première surface libre du bloc et ayant un premier type de conductivité; une seconde couche (63) du
bloc de matière semiconductrice, placée de manière conti-
guë à la première couche et ayant un type de conductivité opposé à celui de la première couche; un premier îlot (64)
formé dans la seconde couche en étant espacé de la pre--
mière couche, ce premier îlot ayant le premier type de conductivité; le premier élément conducteur de l'électricité (72) en contact avec une surface libre (71) de la première couche (62); le second élénent conducteur de l'électricité (70), en contact avec une surface libre (65) du premier
îlot (64); et un troisième élément conducteur de l'électri-
cité (68, 69) constituant l'électrode de commande des moyens de commande
3. Dispositif redresseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commande à effet de champ comprennent une électrode de grille (68, 69) qui est disposée à proximité du premier îlot (64) du redresseur, pour induire un canal du type de conductivité opposé dans le premier îlot; et cette électrode de grille est séparée du premier îlot par une cotche de matière diélectrique (67).
4. Dispositif redresseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de commande à effet de champ comprennent des moyens destinés à générer un canal du type de conductivité opposé dans le premier îlot (64), ce canal s'étendant depuis le second élément conducteur de l'électricité (70) jusqu'à la seconde couche (63) du bloc de matière semiconductrice (61), sous l'effet de l'application d'un signal de polarisation à l'électrode de grille.
5. Dispositif redresseur selon l'une quelconque
des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il com-
prend en outre un second îlot (66, 111) de matière semi-
conductrice du type de conductivité opposé qui est disposé
à l'intérieur de la seconde couche en position immédia-
tement adjacente à la couche diélectricqpe (67).
6. Dispositif redresseur selon la revendication , caractérisé en ce que le second îlot (111) rencontre le
premier îlot (64).
7. Dispositif redresseur selon l'une quelconque
des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les moyens
de commande à effet de chanp comprennent en outre des mo-
yens destinés à induire un ecouche d'accumulation du type de conductivité opposé dans la seconde couche (63), et en position immédiatement adjacente à la couche diélectrique (67).
8. Dispositif redresseur selon l'une quelconque
des revendications 5, 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il
comprend en outre Un troisième îlot (101, 105) de matière semiconductrice du type de conductivité opposé, disposé à l'intérieur du premier îlot (64) et en position contiguë
au second élément conducteur de l'électricité (70).
9. Dispositif redresseur selon l'une quelconque
des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend
en outre un îlot fortement dcpé (133) du premier type de conductivité, qui est disposé à l'intérieur du premier
îlot (132), en position contiguë au second élément conduc-
teur de l'électricité (137).
10. Dispositif redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de matière semiconductri- ce (61) comporte une première couche (62) contiguë à une première face libre (71) du bloc, et une seconde couche
(63) contiguë à une seconde face libre (65) du bloc, oppo-
sée à la première face libre et contiguë à la première couche; un premier îlot (64) à l'intérieur de la seconde
couche, espacé par rapport à la première couche et conti-
gu à la seconde face libre (65) du bloc, les moyens de commande à effet de champ (67, 68, 69) formant un canal conducteur à l'intérieur du premier îlot (64), en position
adjacente à la sec onde face libre (65) du bloc, sous l'ef-
fet de l'application d'un signal de commande aux moyens commandés par grille; un premier élément conducteur de l'électricité (72) destiné à établir un contact électrique avec la première couche (6 2); un second élément conducteur
de l'électricité (70) destiné à établir un contact électri-
que avec le premier îlot (64); et un troisième élément conducteur de l'électricité (68, 69) destiné à appliquer le signal de commande aux moyens de commande à effet de champ.
11. Dispositif redresseur selon la revendication , caractérisé en ce que la première couche (62) consiste en matière semiconductrice d'un premier type de conductivité; la seconde couche (63) consiste en matière semiconductrice d'un type de conductivité opposé à celui de la première couche; le premier îlot (64) consiste en une région de matière semiconductrice du premier type de conductivité située à l'intérieur de la seconde couche; et les moyens de commande à effet de chanp sont constitués par des moyens à effet de champ destinés à former un canal du type de
conductivité opposé à l'intérieur du premier îlot, en posi-
tion adjacente aux moyens de commande à effet de champ, et
ce canal connecte le second élément conducteur de l'électri-
cité (70) à la secoede couche (63).
12. Dispositif redresseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de commande à effet de champ comprennent une couche de matière diélectrique (67) qui recouvre partiellement le premier îlot (64) et qui recouvre une région de grille de la seconde couche (63) adjacente au premier îlot, et le troisième élément conducteur de l'électricité (68, 69) recouvre une partie au moins de la coudhe de matière diélectrique et recouvre partiellement le premier lot et au moins partiellement la
région de grille.
13. Dispositif redresseur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second îlot de matière semiconductrice (66, 111) fortement dopé avec des porteurs du type de conductivité opposé, qui est
placé en position adjacente au premier îlot (64) à l'in-
térieur de la région de grille et en position adjacente
aux moyens de commande à effet de champ.
14. Dispositif redresseur selon la revendication
13, caractérisé en ce que le second îlot de matière semi-
conductrice (66) adjacent au premier îlot (64) est espacé par rapport à celui-ci; et les moyens de commande à effet de champ comprennent en ou tre des moyens destinés à former une couche d'accumulation de porteurs de courant du type
de conductivité opposé, pour établir une connexion électri-
que entre le canal et le second îlot.
15. Dispositif redresseur selon la'revendication 13, caractérisé en ce que le second îlot (111) rencontre le premier îlot et les moyens de commande à effet de champ comprennent des moyens (115) destinés à induire un canal du type de conductivité opposé à l'intérieur du premier îlot, pour établir une connexion électrique entre le second élément conducteur de l'électricité (105) et le second îlot.
16. Dispositif redresseur selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: un ensemble
-de premiers îlots (64) disposés de manière espacée à l'inté-
rieur de la seconde couche (63), en position contiguë à la seconde face libre (65) du bloc, chacun de ces premiers îlots s'étendant en une bande sur la totalité d'une dimension du bloc, tandis que chaque élément d'un ensemble de seconds
éléments conducteurs de l'électricité (70) s'étend en ban-
de en position contiguë à un premier flot respectif, en recouvrant une partie de cet îlot, et chacun des seconds éléments conducteurs de l'électricité est connecté à une source commune de potentiel électrique; et un ensemble de moyens de commande à effet de champ (67, 68, 69), chacun d'eux recouvrant une partie d'un premier îlot respectif, chacun des moyens de commande à effet de champ comprenant une électrode parmi un ensemble d'électrodes de commande conductrices de l'électricité (68, 69) connectées à une source commune de potentiel électrique, chacune de ces
électrodes de commande étant formée sur une bande respec-
tive parmi un ensemble de bandes de matière diélectrique formées sur la sec onde face libre (65) du bloc et chacune d'elles s'étendant en une bande qui recouvre une partie au moins d'une région de grille respective parmi un ensemble de régions de grille, tandis que chacune de ces électrodes de commande recouvre une partie d'un îlot respectif parmi les premiers flots (64), en position adjacente à l'une des
régions de grille.
17. Dispositif redresseur selon la revendication 16, caractérisé en ce que le premier élément conducteur
(72) consiste en une couch e d'aluminium formée sur la pre-
mière surface libre (71) du bloc; chacun des seconds élé-
ments conducteurs (70) consiste en une bande d'aluminium formée sur une surface extérieure d'un flot respectif parmi l'ensemble de premiers flots (64); et le troisième élément
conducteur de l'électricité consiste en une bande d'alumi-
nium formée sur une surface extérieure de l'une respective
des bandes de matière diélectrique (67).
18. Dispositif redresseur selon la revendication 16, caractérisé en ce que le premier élément conducteur de
l'électricité (72) consiste en une couche de silicium poly-
cristallin conducteur formée sur la première face libre (71)
du bloc; chacun des seconds éléments conducteurs de l'élec-
tricité (70) consiste en une bande de silicium polycristallin
conducteur formée sur une surface extérieure d'un îlot res-
pectif parmi l'ensemble des premiers îlots; et chacun des troisièmes éléments conducteurs de l'électricité consiste en une bande de silicium polycristallin conducteur formée sur une surface extérieure de l'une respective des bandes
de matière diélectrique (67).
19. Dispositif redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de matière semiconductrice (140) comprend une première région (141) d'un premier type
de conductivité et une seconde région (142) dopée forte-
ment par rapport à la première région avec des porteurs du premier type de conductivité; un premier îlot (143) d'un
type de conductivité opposé au premier, disposé en posi-
tion contiguë à une première face libre (144) du bloc, à l'intérieur de la seconde région (142); un second îlot (145) du type de conductivité opposé, disposé à l'intérieur de la première région (141) en étant espacé par rapport à la seconde région et contigu à une seconde face libre (146)
du bloc, opposée à la première face libre; un premier élé-
ment conducteur de l'électricité (147) qui vient en contact avec la première face libre du bloc; un second élément conducteur de l'électricité (149) qui vient en contact avec le second îlot; et les moyens de commande à effet de champ
(148) destinés à induire un canal du premier type de con-
ductivité dans le second îlot (145), en position adjacente
aux moyens de commande à effet de champ, ce canal s'éten-
dant.du second élément conducteur vers la première région, sous l'effet de l'application d'un signal de commande par
effet de champ aux moyens de commande à effet de champ.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US21218180A | 1980-12-02 | 1980-12-02 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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