FR2618022A1 - Thyristor a gachette de controle en semi-conducteur metal-oxyde - Google Patents
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Abstract
Une structure de thyristor à gâchette 26 de contrôle MOS comporte des portions non-régénératives (trois couches ou transistors) intercalées avec des portions régénératives (thyristor à quatre couches) et comprend en outre des segments d'électrode de gâchette disposés en étant contigus à des portions relativement étroites de la région de base. Lors de l'application d'une polarisation appropriée de coupure aux segments de l'électrode de gâchette, la région de base de la portion régénérative dans laquelle ils sont disposés est pincée et le courant les traversant est dévié pour circuler dans la portion non-régénérative de la structure. Cela interrompt la régénération dans la structure régénérative et le dispositif est rendu non-conducteur. Application aux dispositifs de puissance à semi-conducteur, à déclenchement.
Description
La présente invention concerne le domaine des disposi-
tifs de puissance à semi-conducteur, à quatre couches, à déclenchement et, plus particulièrement, des dispositifs de ce type qui peuvent être rendus non-passants par application d'un signal de gâchette.
On connaît une vaste variété de dispositifs à semi-
conducteur à quatre couches (NPNP) qui se déclencheront pour venir à l'état passant lorsqu'ils conduisent un courant suffisant. Ce déclenchement est le résultat d'une action de régénération se produisant entre le transistor PNP et le transistor NPN, lesquels sont inhérents dans les quatre
couches de la structure du dispositif. On désigne générale-
ment par thyristors de tels dispositifs. Un dispositif idéal de ce type n'aura aucune chute de tension entre ses bornes principales à l'état passant et, en réponse à un signal de coupure appliqué à une borne de gâchette, sera capable de couper n'importe quelle intensité du courant traversant le dispositif. Dans un tel dispositif idéal, ce signal de
coupure ne nécessitera aucune énergie. -
Les premiers tyristors à gâchette de contrôle emplo-
yaient une borne de gâchette à contact ohmique par l'intermé-
diaire de laquelle un courant suffisant (généralement le -2- tiers du courant principal à l'état conducteur) pouvait être extrait du trajet principal du courant du dispositif afin de
terminer l'action de régénération maintenant l'état déclen-
ché. Ainsi, il fallait une puissance importante pour-comman-
der le dispositif. De tels thyristors nécessitaient un circuit de commande capable de supporter les courants élevés
extraits via la borne de gâchette.
On a mis au point une variété de différents thyristors à gâchette de contrôle à semi-conducteur métal-oxyde (MOS), dans lesquels on utilise une gâchette MOS pour terminer la régénération du thyristor. Certains thyristors à gâchette de contrôle MOS établissent un canal MOS qui éloigne le courant du trajet de régénération du dispositif de manière à rendre le dispositif non-passant. Le courant est dévié du trajet de régénération du thyristor pour entrer dans un trajet de courant non- régénérateur qui continue à comprendre les
électrodes principales de puissance.
D'autres thyristors à gâchette de contrôle MOS com-
prennent le canal de gâchette MOS dans le trajet du courant thyristor du dispositif et rendent ce canal non-conducteur de manière à rendre le dispositif non-passant. Une telle structure a les inconvénients que la résistance relativement élevée du canal MOS en série avec le trajet thyristor augmente la chute de la tension directe du dispositif à l'état passant et qu'au moment o le trajet principal du courant est bloqué, une valeur élevée des charges mobiles est présente dans le dispositif. Ces charges mobiles limitent la zone de fonctionnement sûr (ZFS) du dispositif lorsqu'il est monté en série avec une charge inductive. Les limites simultanées des valeurs de sécurité pour le courant et la tension définissent la zone de fonctionnement du dispositif,
appelée ZFS.
On considère généralement que les thyristors à gâchet-
te de contrôle sont supérieurs à ceux dans lesquels la
gâchette est directement connectée au matériau semi-conduc-
-3- teur car une gâchette MOS ne supporte pas les courants d'intensité élevée qu'une gâchette à contact ohmique doit
acheminer. Cependant, il reste de la place pour l'améliora-
tion des caractéristiques de fonctionnement des dispositifs de ce type. Il est souhaitable de disposer de dispositifs du type
thyristor ayant de meilleures caractéristiques de fonction-
nement, telles qu'une chute plus faible de la tension à l'état passant, des densités plus élevées du courant à l'état passant, une zone ZFS plus grande et l'aptitude à couper des courants plus intenses à l'état passant avec une puissance de
gâchette minimale.
La présente invention a pour objet un dispositif à semi-conducteur de puissance perfectionné, ayant un état passant comme un thyristor et comportant une gâchette MOS qui peut couper des intensités élevées du courant à l'état passant. La présente invention a pour autre objet un dispositif à gâchette de contrôle ayant un état passant semblable à un thyristor et dans lequel le courant dévié du trajet principal du courant de régénération pour amorcer la coupure continue à circuler entre les électrodes principales de puissance dans
un trajet non régénérateur jusqu'à la coupure du dispositif.
La présente invention a encore pour objet un disposi-
tif à gâchette de contrôle qui comporte une section thyristor et une section transistor contiguë dans laquelle le courant peut être dévié à partir de la section thyristor lors de
l'interruption du trajet du courant dans la section thyris-
tor. La présente invention a pour autre objet un dispositif ressemblant à un thyristor qui peut- être rendu non-passant par un signal de gâchette, provoquant l'élimination d'un trajet de courant à travers une région de base -d'une portion
thyristor du dispositif.
On atteint les objets précédents avec un dispositif à -4- semi-conducteur ayant une structure thyristor ou régénérative comprenant des première, seconde, troisième et quatrième régions de types alternés de conductivité disposées en série dans cet ordre. Le dispositif comprend un moyen pour interrompre la circulation du courant dans la seconde ou la troisième région afin d'interrompre l'action de régénération et rendre le dispositif non-passant. Dans un mode de
réalisation, le dispositif comporte une structure non-
régénérative à trois couches disposée près de la structure de régénération. Une portion de régénération (thyristor) à quatre couches de la structure se déclenche lors du passage à l'état conducteur, fournissant une faible chute de la tension directe et une densité élevée du courant pour l'ensemble du dispositif. Une électrode de gâchette MOS disposée à un endroit contigu à au moins l'une des régions de base de la portion de régénération de la structure est configurée de manière à pincer la partie de la région de base se trouvant à
l'intérieur de la portion de régénération. Les portions non-
régénératives de la structure (qui peuvent être des portions à trois couches ou transistor du dispositif) sont entremêlées avec les portions régénératives du dispositif de sorte que, lorsque la portion régénérative de la base est pincée, le courant la traversant est dévié pour entrer dans les portions
non régénératives du dispositif, d'o la coupure du disposi-
tif. Les portions non-régénératives du dispositif qui ne sont pas pincées par l'électrode de gâchette sont distinctes des portions régénératives du dispositif car elles ne comportent pas la quatrième couche (émetteur) de la structure d'ensemble à quatre couches. L'une des électrodes principales de puissance est en contact avec la quatrième couche
(émetteur) ainsi qu'avec la troisième couche (base). L'élec-
trode de gâchette est de préférence disposée dans des
tranchées s'étendant dans le corps du dispositif à semi-
- conducteur à partir de la surface au droit de laquelle l'électrode principale de puissance est en contact tant avec la région de l'émetteur qu'avec la région de la base. Les segments de l'électrode de gâchette sont disposés dans ces tranchées et contrôlent la conductivité à l'intérieur de la région de base de la portion régénérative entre des segments contigus de l'électrode de gâchette. Pour permettre aux électrodes de gâchette de pincer la totalité des portions régénératives de la région de base à une tension appliquée de
la gâchette sensiblement identique, les segments de l-'élec-
trode de gâchette sont de préférence espacés d'une manière pratiquement uniforme. Soit aucune tranchée n'est créée à un endroit contigu à la base de la portion non-générative (trois couches) de la structure d'ensemble, soit la gâchette est rendue inefficace pour le pincement de la base par l'un quelconque des cas suivants: (1) fourniture d'un oxyde de gâchette plus épais près des sections à trois couches, (2) octroi aux sections à trois couches d'une région de base de conductivité plus élevée, (3) omission de l'électrode de
gâchette près de la base de la portion à trois couches.
L'objet considéré comme celui de la présente invention ressort plus particulièrement et est revendiqué d'une façon distincte dans la partie concluante du mémoire. Cependant, la présente invention tant en ce qui concerne son organisation que sa mise en pratique, ainsi que d'autres objets et avantages qu'elle présente, se comprendront le mieux en
liaison avec la description suivante faite en conjonction
avec les dessins d'accompagnement dans lesquels:.
Les figures 1 à 3 représentent schématiquement des circuits équivalents pour trois dispositifs à gâchette isolée de l'art antérieur; les figures 4 et 5 représentent schématiquement des
circuits équivalents pour deux dispositifs différents à semi-
conducteur selon la présente invention; les figures 6 et 7 représentent schématiquement, dans - 6 - une vue en coupe, une structure à semiconducteur de base ayant le circuit équivalent de la figure 4; la figurà 8 est une vue en perspective en coupe, en
partie en crevé, d'une variante de structure de semi-
conducteur pour laquelle la figure 4 est une circuit équivalent; la figure 9 représente schématiquement une vue en coupe d'une variante de réalisation du dispositif de la figure 8; et la figure 10 est une vue en perspective en coupe, en partie en crevé, d'une structure à semiconducteur pour
laquelle la figure 5 est un circuit équivalent.
En figure 1, on a représenté le circuit équivalent d'un transistor bipolaire à gâchette isolée (TBGI). Le circuit comprend un transistor PNP 12, un transistor NPN 14, un transistor à effet de champ à semiconducteur métal-oxyde (MOSFET) 16 et une résistance 18. Le MOSFET 16 a sa source connectée au collecteur du transistor NPN 14 et a son drain relié à l'émetteur du transistor NPN 14. La résistance 18 est
montée entre la jonction base-émetteur du transistor NPN 14.
Le dispositif d'ensemble comporte trois bornes: une borne d'anode 22, une borne de cathode 24 et une borne de gâchette 26. Les transistors 12 et 14 sont connectés d'une façon régénérative qui, sans disposition spéciale, fournira une caractéristique de fonctionnement en thyristor. La gâchette pour un tel dispositif sera la base du transistor 14. Dans un TBGI, le gain en courant du transistor NPN est volontairement maintenu à une faible valeur de manière à éviter que le dispositif ne se déclenche pour prendre l'état passant comme un thyristor. Le MOSFET 16, lorsqu'il est passant, fournit un courant de base supplémentaire au transistor PNP 12, d'o la production d'un effet temporaire semblable à celui d'un transistor NPN à gain élevé sans,. cependant, provoquer le
déclenchement du TBGI à l'état passant comme un thyristor.
En figure 2, on a représenté le circuit équivalent -7- d'un thyristor contrôlé MOS (TCM). Ce circuit comporte un transistor PNP 12, un transistor NPN 14 et un MOSFET 16. Les transistors 12 et 14 sont reliés de la même manière que dans le circuit équivalent TBGI de la figure 1. Cependant, le MOSFET 16 est connecté entre la base et l'émetteur du transistor NPN 14 au lieu de l'être entre son collecteur et son émetteur. A la suite de cette connexion, la résistance 18 est omise dans la structure TCM. Dans la structgure TCM, le thyristor se déclenche pour prendre l'état passant et se
désamorce en rendant conducteur le MOSFET.
En figure 3, on a représenté le circuit équivalent d'un thyristor à gâchette isolée (ThGI). Ce circuit comprend également des transistors bipolaires 12 et 14 et un MOSFET 16 et une résistance 18. Le- circuit équivalent ThGI a ses transistors bipolaires 12 et 14 connectés ensemble de la même
manière que dans les circuits équivalents des TBGI et MCT.
Cependant, dans le circuit ThGI, le MOSFET est connecté directement entre l'émetteur du transistor NPN 14 et la borne de cathode 24 du dispositif. Ainsi, le MOSFET contrôle directement la circulation du courant entre l'émetteur du
transistor NPN et l'électrode de la cathode. -
En figure 4, on a représenté sous forme de circuit équivalent un mode de réalisation d'un dispositif selon la présente invention. Ce dispositif, qu'on appelle thyristor à mode d'épuisement (TME), est représenté par- un circuit équivalent constitué d'un transistor bipolaire PNP 12 à large base, un transistor bipolaire 14 à base étroite NPN, un MOSFET 16 et une résistance 18. Les deux transistors bipolaires sont couplés ensemble de manière à former un thyristor via leur connexion interne d'une façon régénérative semblable à celle du dispositif des figures 1 à 3, avec la résistance 18 montée entre la jonction base-émetteur du transistor NPN. Ce dispositif est différent des dispositifs des figures 1-3 en ce sens que le transistor à effet de champ est connecté dans le trajet entre la base du transistor PNP - 8 - 12 et le collecteur du transistor NPN 14. Comme cela est représenté, le dispositif TME est un dispositif à haute tension avec le transistor à effet de champ dans la portion à
base large (supportant une haute tension) de la structure.
En figure 5, on a représenté le circuit équivalent d'une variante de réalisation d'un dispositif TME selon la présente invention. Le dispositif TME représenté en figure 5 est semblable au dispositif TME illustré en figure 4 sauf que le MOSFET 16 est connecté dans le trajet allant du collecteur du transistor PNP 12 à la base du transistor NPN 14. Comme cela est représenté, le dispositif TME est un dispositif à haute tension dans lequel le transistor à effet de champ se trouve dans la région étroite de la base (celle qui n'est pas
destinée à bloquer des tensions élevées).
Par suite des connexions des MOSFETS dans les disposi-
tifs des figures 4 et 5, le transistor à effet de champ
contrôle la boucle régénérative de la structure d'ensemble.
Ainsi, si le transistor à effet de champ est rendu non-
conducteur, la régénération du courant est immédiatement
arrêtée.
La structure 30 du dispositif représenté en figure 6 a le circuit équivalent qu'on a illustré en figure 4. Ce dispositif TME comprend, de bas en haut de la figure 6, un contact d'anode 22, un émetteur P+ 32, une base du type N ou région de glissement 34, une région de base 36 du type P, une région 38 d'émetteur N+ et un contact de cathode 24. La base du type N ou région de glissement 34 est la base dite large du dispositif car sa largeur entre le haut et le bas de la figure 6 est rendue suffisamment grande pour supporter la tension maximum que le dispositif doit bloquer. A l'intérieur de la région de base 34 ou région de glissement du type N, une multitude de segments 26 de gâchette MOS sont disposés près du matériau de base mais en en étant espacés par un isolant de gâchette 28 qui peut être un oxyde du matériau semi-conducteur. L'espacement horizontal dans la figure entre -9- les segments adjacents 26 est rendu suffisamment petit pour
que lors de l'application d'une tension de commande appro-
priée, la portion de la région de base située entre les segments contigus de l'électrode de gâchette se trouvent pincés. Cela est illustré par les lignes en tirets 42 qui marquent les bords des régions d'épuisement induites par les différents segments de gâchette. C'est la région entre chaque segment d'électrode de gâchette et la gâchette en pointillé
42 l'entourant qui est épuisée par la tension de gâchette.
Ces régions d'épuisement induites par les segments adjacents de gâchette se fondent dans des régions de pincement 43, d'o le pincement du trajet 44 du courant de canal entre ces segments de gâchette. Ainsi, l'application d'une tension appropriée de gâchette de contr6le à ces segments interrompt
le trajet du courant dans la base de la'structure régénéra-
tive (thyristor) et rompt son action de régénération, rendant le dispositif non-conducteur. Dans une structure uniforme de ce type, il n'y a aucun autre trajet pour le courant, ce qui se traduit par le fait que la coupure du dispositif est
brutale. Dans ces circonstances, des charges mobiles impor-
tantes en excès sont présentes dans les portions non épuisées de la région de base 34- au moment de la coupure. De telles
charges en excès finissent par se dissiper via une recombi-
naison. Cela créé un inconvénient pour le dispositif lors de la commande d'une charge inductive car ces charges en excès limitent la zone de fonctionnement sûre (ZFS) du dispositif
au moment de la coupure.
La figure 7 est une vue en coupe d'une portion séparée d'une version modifiée du dispositif TME de la figure 6 à un emplacement o l'émetteur N+ 38 et la région de gâchette 28 sont omis de la structure. Le dispositif modifié comporte
également une portion correspondant à la structure représen-
tée en figure 6. Les régions similaires du dispositif modifié sont indiquées par les mêmes numéros de référence en figure 7 et en figure 6. On remarquera que dans cette portion à trois
- 10 -
couches de la structure, l'électrode de gâchette 26 n'est pas
présente dans la région de base ou région de glissement 34.
Cette structure, ou son équivalent fonctionnel, peuvent être obtenus de différentes façons. Tout d'abord, le cas échéant, l'oxyde et la gâchette peuvent être omis de cette partie du dispositif (comme représenté) avec le résultat qu'une base uniforme ou région de glissement 34 est présente dans la partie du dispositif dans laquelle seules trois couches sont présentes. A titre de variante, l'oxyde de gâchette 28 peut être rendu plus épais dans la partie du dispositif, figure 7, que dans celle du dispositif, figure 6. Cela augmentera la tension de seuil pour cette gâchette MOS de sorte que la gâchette ne pourra pincer le canal 44 aux tensions appliquées à la gâchette pour le pincement de la partie, figure 6, de la
structure. A titre d'autre variante, le matériau de l'élec-
trode de gâchette peut être entièrement omis dans la partie
du dispositif, figure 7, en oxyde.
En fonctionnement, l'application d'une tension de gâchette suffisamment négative aux segments 26 dans la version modifiée, mentionnée ci-dessus, du dispositif TME de la figure 6 pince la région de canal 44 à l'intérieur de la portion à quatre couches de la structure (figure 6). Comme dans la portion à trois couches de la structure (figure 7) l'électrode de gâchette est manquante ou est espacée de la région de base par une épaisseur importante de l'oxyde de gâchette, il ne se produit aucun pincement dans la portion à trois couches de la structure et le courant qui ne peut circuler dans le canal 44 à l'intérieur de la structure à quatre couches est dévié latéralement pour entrer dans la structure à trois couches o il ne se produit aucune régénération, avec le résultat que le dispositif est non passant. Cela présente l'avantage que, au lieu d'avoir une coupure brutale de la circulation du courant dans l'ensemble du dispositif o il y a de nombreux porteurs en excès dans la région de base 34, le courant continue à circuler dans la
- 11 -
portion transistr- de la structure jusqu'à ce que ces porteurs en excès aient été enlevés, instant auquel le dispositif est complètement coupé car la seule source du courant de base dans la section transistor est la structure thyristor. Ainsi, cette structure modifiée a un ZFS supérieur
à celui du dispositif de la figure 6.
La structure illustrée en figures 6 et 7 est difficile à fabriquer en utilisant les procédés actuels de construction des semi-conducteurs. En conséquence, on préfère la structure illustrée en figure 8-. Dans cette structure, au lieu que l'oxyde de gâchette et l'électrode de gâchette soient isolés dans un tunnel à l'intérieur du matériau semi-conducteur, une tranchée découpée et remplie est prévue qui s'étend jusqu'à la surface supérieure du matériau semi-conducteur. Cette tranchée peut être formée par gravure ionique réactive ou éventuellement par d'autres techniques. Dès que la tranchée est formée, sa surface peut être oxydée et l'électrode de gâchette déposée à l'intérieur de la tranchée de manière à fournir la maîtrise désirée de la conduction à l'intérieur de la portion à quatre couches de la structure. Comme on le voit vers la partie inférieure de la partie en crevé de la figure 8, l'électrode de gâchette est omise le long des côtés de la portion à trois couches de la structure du dispositif, o cette portion comporte une région 36a de base P+ au lieu d'une région 36 de base P. On peut utiliser un certain nombre de techniques pour omettre l'électrode de gâchette dans la région contiguë à la base de la portion à trois couches de la structure. Une technique préférée est de ne pasdécouper la tranchée dans cette portion du matériau semi-conducteur, de sorte que ni le diélectrique de gâchette ni l'électrode de gâchette ne sont présents près de la portion à trois couches de la structure et aucun pincement n'est induit dans cette région. Une variante consiste à découper la tranchée à travers les portions régénératives et non-régénératives de la structure et de remplir la portion non-régénérative de la
- 12 -
tranchée avec une couche isolante telle que du bioxyde de silicium. Une seconde variante consiste à fournir un isolant de gâchette plus épais dans la portion non-régénérative de la
structure. On peut utiliser en variante d'autres techniques.
Comme représenté en figure 8, l'électrode de gâchette 26 est disposée à un endroit contigu tant à la large région de base 34 qu'à la région de base étroite 36. Comme on l'a discuté l'application à la gâchette 36 d'une tension négative appropriée se traduira par le pincement de la large région de base 34 qui coupe le dispositif. L'application à la gâchette 26 d'une tension positive appropriée donnera naissance à une région d'inversion dans la région étroite de base 36 près de l'électrode de gâchette 26. Cela permet aux électrons de circuler à partir de l'émetteur 38, en passant par la région d'inversion, pour entrer dans la large région de base 34 o ces électrons fournissent le courant de base pour le
transistor PNP inhérent constitué des régions 32, 34 et 36.
Cela a pour effet de rendre conducteur le dispositif. Ainsi, la même électrode de gâchette peut être utilisée pour rendre conducteur et nonconducteur le dispositif par application de tensions appropriées à la gâchette. Cela confère l'avantage d'avoir un dispositif à trois bornes dans lequel une seule borne (la troisième) est utilisée pour contrôler les passages
à l'état conducteur et à l'état non-conducteur.
Une variante de structure de dispositif illustrée en figure 9 sépare les fonctions de passage à l'état conducteur et de passage à l'état nonconducteur en fournissant deux électrodes de gâchette séparées, une gâchette 26 étant disposée près de la base large 34 pour rendre le dispositif non-conducteur et une gâchette supplémentaire 27 près de la
base étroite 36 pour rendre le dispositif conducteur.
En figure 10, on a représenté un dispositif semblable à celui de la figure 8. La distinction principale entre le dispositif de la figure 10 et celui de la figure 8 est que les tranchées dans le dispositif de la figure 10 ne
- 13 -
s'étendent que dans la région supérieure ou région de base 36 du type P et ne s'étendent pas jusque dans la région inférieure ou région de base 34 du type N. Par ailleurs, la topologie du dispositif de la figure 10 est semblable à celle du dispositif de la figure 8. En figure 5 on a représenté le circuit équivalent au dispositif de la figure 10. Une différence principale entre les dispositifs de la figure 10 et de la figure 8 est que la base 36 du type P est plus lourdement dopée que la base 34 du type N. Par consequent, un grossissement donné de ia tension de gâchette de signe approprié appliquée à la gâchette du dispositif crée une zone d'épuisement moins profonde dans la base 36 du dispositif de la figure 10 que dans la base 34 du dispositif de la figure 8. Par conséquent, les parties de pincement 43 de la région de base 36 qui séparent les segments de l'électrode de gâchette ne peuvent être aussi larges que les segments de la figure 8 ou en d'autres termes une tension de gâchette suffisamment élevée pour pincer la base 36 provoquera l'inversion de la surface de la base contiguë à l'électrode de gâchette et le dispositif ne sera pas pincé et ne sera pas
rendu non-conducteur.
En figure 10, l'électrode de gâchette est représentée comme étant contiguë à la seule région de base 36, 36a. En conséquence, on ne peut utiliser la même électrode de
gâchette pour rendre le dispositif conducteur et non-
conducteur et un mécanisme séparé doit être prévu pour le rendre conducteur. Cela peut impliquer l'utilisation de la
lumière pour générer intérieurement des paires électrons-
trous, la présence d'une structure séparée de gâchette qui commande un trajet de courant de mise à1l'état conducteur ou
d'autres techniques connues dans l'art des thyristors.
Le signe de la tension qui se traduira par un pincement d'une région de base dépend du type de conductivité de cette région de base. Ainsi, dans le but de pincer la région de base du type N comme cela est représenté par les
- 14 -
lignes en tirets 42 de la figure 8, une tension négative doit être appliquée à l'électrode de gâchette de manière à épuiser
la région de base du type N qui est contiguë à l'électrode.
Par contraste, dans le dispositif de la figure 10, dans le but de pincer la région de base 36 du type P. une tension positive doit être appliquée à la gâchette MOS dans le but
d'épuiser cette région.
Dans le dispositif de la figure 8,,la région de base du type N est dopée d'une façon relativement légère pour maintenir une tension de bloquage élevée. En conséquence, une épaisseur importante de la région de base 34 du type N peut être épuisée par application d'une tension relativement faible à l'électrode de gâchette. De cette façon, la région
de base 34 est pincée sans induction d'une couche d'accumula-
tion ou d'inversion à l'intérieur de la région de base contiguë au diélectrique de gâchette 28. Ainsi, la commande de la gâchette de la portion régénérative du dispositif est
relativement directe.
Lorsque la tension de coupure est appliquée à l'élec-
trode de gâchette de manière à rendre ce dispositif non-
conducteur, les régions d'épuisement induites dans la base 34 du type N se répandent rapidement pour pincer la partie de la base 34 se trouvant à l'intérieur de la portion régénérative du dispositif. A cause de l'action régénérative de la portion à quatre couches du dispositif, des quantités importantes de porteurs mobiles en excès sont présentes dans les deux régions de base 34 et 36 au moment de l'amorçage de la coupure. Si la totalité du dispositif était pincée (comme cela se produit dans unthyristor à gâchette isolée), ces charges en excès limiteraient la zone de fonctionnement sure du dispositif car un temps important serait nécessaire pour
qu'elles se recombinent à l'intérieur du dispositif. Cepen-
dant, la présence de la section non-régénérative du disposi-
tif directement contiguë à la section régénérative fournit un trajet favorable pour le courant pour l'enlèvement de cette
- 15 -
charge. En outre, comme seule la portion régénérative de la structure est pincée, le courant peut continuer à circuler
entre les bornes principales en passant par la portion non-
régénérative de la structure car ces porteurs de charges mobiles en excès servent de courant de base de la portion transitor de la structure jusqu'au moment o ces charges mobiles en excès ont été éliminées du dispositif, instant auquel la totalité du dispositif est rendue nonconductrice car il n'y a plus aucun mécanisme pour maintenir le courant
dans la portion non-régénérative du dispositif. En consé-
quence, la valeur des charges mobiles dans le dispositif est sensiblement réduite avant que la tension aux bornes du dispositif ne s'élève jusqu'à sa pleine valeur. Cela se traduit par une zone de fonctionnement sûr plus grande pour
le dispositif.
De manière à rendre conducteur le dispositif de la figure 8, l'électrode de gâchette 26 est alimentée avec une tension positive de valeur suffisante pour inverser la surface de la région de base 36 du type P contiguë à l'électrode de gâchette de manière à fournir un trajet pour le courant des électrodes entre l'émetteur 38 de type N+ et la base 34 de type N. Une circulation suffisante du courant polarisera directement la jonction PN 37 entre la région 38 de l'émetteur N+ et la base 36 de type P. Lorsque la jonction 37 est polarisée directement, le dispositif passe à l'état conducteur. On a construit et testé des dispositifs expérimentaux en conformité avec le mode de réalisation de la figure 8. Ces
dispositifs non optimisés avaient les caractéristiques sui-
vantes.
Dopage de l'émetteur P+: 1019 pa.cn? Dopage de la base N: 1014 par cm Dopage de la base p: 1016 par c Dopage de l'émetteur N+: 1020 par cn?
- 16 -18022
Aire active en % des 4 couches: 80 Aire active en % des 3 couches: 20 Largeur de la partie de pincement de la base N: 3 micromètres Epaisseur de la base N: 50 micromètres Tension maximum de blocage: 500 volts Courant de déclenchement: densité 10 A/ci? Chute de la tension directe: 1 volt Tension de la gâchette de passage à l'état conducteur: 10 volts Tension de la gâchette de passage à l'état non-conducteur: 10 volts Temps de passage à l'état non-conducteur: 5 microsecondes Densite maximum du courant contrôlable (passage à l'état non-conducteur): 5 000 A/ci Les tolérances de fabrication du dispositif sont sensiblement plus sévères dans le cas du dispositif de la figure 9 car la région de base 36 du type P est sensiblement plus lourdement dopée que la région de base 34 du type N. Il en résulte que les segments de l'électrode de gâchette 26 doivent être placés sensiblement plus proches les uns des autres dans le dispositif de la figure 9 que cela n'est nécessaire dans le dispositif de la figure 8 de manière à permettre à l'électrode de gâchette 26 de pincer la région de base 36 du type P. De plus, à cause du dopage relativement lourd de la région de base 36 du type P, une tension sensiblement positive doit être appliquée à l'électrode de gâchette de manière à pincer la région de base P. En conséquence, on doit prendre soin dans la conception et la
fabrication du dispositif d'assurer que toute région d'inve-
rsion que la tension de mise à l'état non-conducteur induit dans la région de base P contiguë au diélectrique 28 de la gâchette ne se traduit pas.par la mise à l'état conducteur du dispositif. Par conséquent, un mécanisme séparé de passage à l'état conducteur, c'est-à-dire la gâchette 27, doit être prévue de manière à rendre conductrice la structure du
- 17 -
dispositif de la figure 9.
D'autres variantes peuvent être apportées à ces structures de dispositif sans sortir du domaine et de l'esprit de la présente invention. Par exemple, le type de conductivité de toutes les régions dans un dispositif donné peut être inversé, ce qui se traduit par l'obtention d'un dispositif ayant un type de conductivité opposé. On peut également prévoir d'autres moyens pour interrompre le trajet
du courant de base.
- 18 -
Claims (23)
1. Thyristor contenant une multitude de régions à semi-conducteur formant deux transistors bipolaires (12, 14) identifiables de manière séparée, le collecteur de l'un des transistors étant couplé à la base du second transistor et la base du premier transistor étant couplée au collecteur du second transistor, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen de gâchette isolée couplée à la base du premier des deux transistors bipolaires pour interrompre le
courant de base de ce transistor.
2. Thyristor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de gâchette isolée fonctionne dans le mode épuisement.
3. Thyristor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de gâchette isolée fonctionne dans le mode enrichissement.
4. Dispositif à semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend:
un corps de matériau semi-conducteur ayant des pre-
mière et seconde surfaces principales opposées, le corps comportant: une première région d'émetteur (32) d'un premier type de conductivité qui s'étend jusqu'à la première surface;
une première région de base (34) du type de conducti-
vité opposé, disposée à un endroit contigu à une première jonction PN et formant cette jonction avec la première région d'émetteur, une seconde région de base (36) du premier type de conductivité disposée à un endroit contigu à la première région de base, formant une seconde jonction PN avec la première région de base et espacée de la première région d'émetteur par la première région de base,
une seconde région d'émetteur (38) du type de conduc-
tivité opposé, disposée à un endroit contigu à la seconde région de base, formant une troisième jonction PN avec cette
- 19 -
seconde région de base, espacée de la première région de base par la seconde région de base et s'étendant jusqu'à la seconde surface,-et un moyen -pour interrompre la circulation du courant dans la première des régions de base lorsque le dispositif
fonctionne dans un mode régénération.
5. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen pour interrompre la circulation du courant comprend une électrode de gâchette (26) isolée disposée à un endroit contigu à une portion de pincement de la première région de base, cette portion de pincement étant suffisamment étroite pour que lors de
l'application à l'électrode de gâchette d'une tension appro-
priée de polarisation pour passage à l'état non-conducteur, la portion de pincement de la première région de base soit suffisamment épuisée en porteurs pour provoquer le passage du
dispositif à l'état non-conducteur.
6. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication , caractérisé en ce qu'il comprend en outre: des première et seconde électrodes de puissance (22, 24) disposées respectivement sur les première et seconde surfaces et en contact ohmique avec les première et seconde régions d'émetteur, la seconde électrode de puissance étant également en contact ohmique avec la seconde région de base, de sorte que le dispositif comprend une portion régénérative à quatre couches et une portion non- régénérative à trois couches disposées toutes deux entre les première et seconde électrodes de puissance, d'o il résulte que lorsque le courant circule entre les première et seconde électrodes de puissance en passant par la portion régénérative dans un mode
thyristor régénératif, l'application à l'électrode de gachet-
te isolée de la tension appropriée de polarisation de passage à l'état non-conducteur pince suffisamment la portion de pincement de ladite région de base pour dévier suffisamment - 35 le courant de la portion régénérative du dispositif pour le
- 20 -
faire entrer dans la portion non-régénérative du dispositif et interrompre l'action thyristor régénérative de la portion
régénérative du dispositif et rendre le dispositif non-
conducteur. -5
7. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que: une partie de la seconde région de base s'étend jusqu'à la seconde surface du corps; et l'électrode de gâchette isolée est disposée à un endroit contigu à au moins une partie de la seconde région de base o cette seconde région de base s'étend jusqu'à la
seconde surface.
8. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que: la seconde surface comporte une portion plane et une portion à tranchée, la portion à tranchée comportant la seconde surface du corps o une multitude de tranchées s'étendent jusque dans le corps à partir de la portion plane la seconde région de base s'étend jusqu'à la portion à tranchée de la seconde surface; et
chacune des tranchées contient un segment de l'élec-
trode de gâchette isolée disposé près d'une portion respec-
tive de la seconde région de base qui s'étend jusqu'à la
seconde surface.
9. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que: la première région de base s'étend jusqu'à la seconde surface dans chaque tranchée; et le segment d'électrode de gâchette isolée disposé dans chaque tranchée est également disposé en étant contigu à la
première région de base- dans chaque tranchée.
10. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 9, caractérisé en ce que ladite région de base comprend
la première région de base.
- 21 -
11. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 7, caractérisé en ce que ladite région de base comprend la première région de base; la seconde surface comprend une portion sensiblement plane et une portion à tranchée, la portion à tranchée comportant la seconde surface du corps o une multitude de tranchées s'étendent jusque dans le corps à partir de la portion plane; la première région de base s'étend jusqu'à la portion à tranchée de la seconde surface; et
chacune des tranchées contient un segment de l'élec-
trode de gâchette isolée disposé à un endroit contigu à une portion respective de la premirère région de base qui s'étend
jusqu'à la seconde surface.
12. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 4, caractérisé en ce que chacune des régions d'émetteur a un type de conductivité déterminant une concentration en dopant qui est au moins cent fois la concentration en dopant déterminant le type de conductivité dans l'une et l'autre des
régions de base dans la portion régénérative du dispositif.
13. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 4, caractérisé en ce que ladite région de base comprend
la première région de base.
14. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 4, caractérisé en ce que ladite région de base comprend
la seconde région de base.
15. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 4, caractérisé en ce que la première région de base comprend une large région de base et la seconde région de
base comporte une région de base étroite.
16. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 15, caractérisé en ce que ladite région de base comprend
la première région de base.
17. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 15, caractérisé en ce que ladite région de base comprend
- 22 -
la seconde région de base.
18. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 15, caractérisé en ce que la région de base comprend la première région de base et en ce que le dispositif comporte en outre une électrode de gâchette isolée disposée à un endroit contigu aux première et seconde régions de base, d'o il résulte que l'application à l'électrode de gâchette isolée d'une tension de polarisation appropriée pour rendre le dispositif conducteur peut rendre ce dispositif conducteur en permettant la conduction dans la second région de base contiguë à l'électrode de gâchette isolée pour fournir un courant de base entre la seconde région d'émetteur et un
transistor inhérent constitué de la première région d'émet-
teur, de la première région de base et de la seconde région
de base.
19. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 14, caractérisé en ce que ladite région de base comprend la première région de base et en ce que le dispositif comporte en outre une première électrode de gâchette isolée disposée à un endroit contigu à la première région de base et une seconde électrode de gâchette isolée disposée à un endroit contigu à la seconde région de base, d'o il résulte que l'application à la seconde électrode de gâchette isolée d'une tension de polarisation appropriée pour passage à l'état conducteur 'peut rendre le dispositif conducteur en permettant la conduction dans la seconde région de base contiguë à la seconde électrode de gâchette isolée afin de fournir un courant de base entre la seconde région d'émetteur et un transistor bipolarie inhérent constitué de la première région d'émetteur, de la première région de base et de la
seconde région de base.
20. Dispositif à semi-conducteur caractérisé en ce qu'il comprend: un corps de matériau semi-conducteur comportant une
portion régénérative et une portion non-régénérative conti-
- 23 -
guë, la portion régénérative comprenant des première, secon-
de, troisième et quatrième régions se jouxtant d'un type de conductivité alternant qui sont disposées en série dans cet ordre; et un moyen pour pincer l'une des seconde et troisième régions dans la portion régénérative afin de dévier le courant de la portion régénérative pour l'introduire dans la
portion non-régénérative contiguë afin de rendre le disposi-
tif non-conducteur.
21. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 20, caractérisé en ce que: lorsque l'une des seconde et troisième régions de la portion régénérative est pincée, la quasi totalité du courant à l'intérieur de la portion régénérative est déviée pour
entrer dans la portion non-régénérative.
22. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 21, caractérisé en ce que la portion non-régénérative comprend trois des quatre régions présentes dans la portion régénérative.
23. Dispositif à semi-conducteur selon la revendica-
tion 21, caractérisé en ce que le moyen de pincement comprend une électrode de gâchette isolée disposée à un endroit contigu à l'une des seconde et troisième régions dans la portion régénérative o ladite région est suffisamment mince pour qu'une tension de polarisation appropriée de mise à l'état non-conducteur appliquée à l'électrode de gâchette isolée pince ladite région dans la portion régénérative dans une mesure suffisante pour dévier assez de courant à partir de la portion régénérative pour la faire entrer dans la
portion non-régénérative et rendre le dispositif non-conduc-
teur.
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