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WO2002050915A1 - Commutateur electronique bidirectionnel bistable a commande par impulsions - Google Patents

Commutateur electronique bidirectionnel bistable a commande par impulsions Download PDF

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Publication number
WO2002050915A1
WO2002050915A1 PCT/FR2001/004137 FR0104137W WO0250915A1 WO 2002050915 A1 WO2002050915 A1 WO 2002050915A1 FR 0104137 W FR0104137 W FR 0104137W WO 0250915 A1 WO0250915 A1 WO 0250915A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
type
region
thyristor
switch
bidirectional
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2001/004137
Other languages
English (en)
Inventor
Jean-Michel Simonnet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STMicroelectronics SA
Original Assignee
STMicroelectronics SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STMicroelectronics SA filed Critical STMicroelectronics SA
Priority to US10/182,541 priority Critical patent/US6921930B2/en
Publication of WO2002050915A1 publication Critical patent/WO2002050915A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D18/00—Thyristors
    • H10D18/80—Bidirectional devices, e.g. triacs 

Definitions

  • the present invention relates to a bi-directional bistable switch, that is to say a switch capable of being made conductive during several half-waves of the alternating voltage which is applied thereto following " a single control pulse.
  • This bistable switch can then be opened by application of a new pulse and remain in the open state until a new closing pulse is received.
  • a first category of bidirectional switches consists of triac type switches or other bidirectional switches corresponding to associations of thyristors.
  • a common characteristic of these components is that they are turned on during an alternation given by a pulse and then they open automatically when the current flowing through them falls below a determined threshold, generally called holding current. i dd . Then, to restore conduction of such bidirectional switches, it is necessary to reapply a pulse at each half-wave during which it is desired that the component be put in the on state. Thus, these switches are not bistable.
  • bidirectional switches consists of components of the MOS or bipolar transistor type which turn on when a signal is applied to them. control terminal but for which it is necessary to permanently maintain this control order so that the component remains on.
  • Such transistor type components cannot be controlled by pulses.
  • these circuits are relatively complex and generally require the association of several semiconductor components and several passive components.
  • the present invention relates to the production in essentially monolithic form of such a bidirectional bistable switch with pulse control.
  • the present invention provides a bidirectional switch of the bistable type with pulse control comprising: a monolithic semiconductor circuit formed from a lightly doped N-type substrate whose rear face is coated with a metallization, comprising:
  • the monolithic semiconductor circuit comprises an N-type substrate; and
  • a P-type layer in this P-type layer, N-type regions, interrupted in particular at the locations where the bidirectional component comprises an N-type region on the side of its upper face.
  • a trigger contact is integral with the first P-type region and with an N-type region formed therein, the bidirectional switch structure being of the triac type.
  • the switch comprises an insulating wall connecting the upper face to the lower P-type layer and containing an N-type region on the side of its upper face to which is attached a terminal of trigger, the bidirectional switch structure being of ACS type.
  • the rear face electrode is connected to an alternating voltage, the front face electrode of the bidirectional switch structure being connected to ground.
  • the front face electrode is connected to an alternating voltage, 1 front electrode of the bidirectional switch structure being connected to ground.
  • FIG. 1 is a view in schematic section of a first embodiment of a bi-directional bistable switch according to the present invention
  • FIGS. 2 to 4 illustrate various operating phases of the bi-directional bistable switch in FIG.
  • a bi-directional bi-directional switch according to the present invention essentially comprises a monolithic semiconductor circuit or component formed from a semiconductor substrate 1 and a capacitor C.
  • the monolithic semiconductor component comprises a central part corresponding to a triac vertical TR, a left part corresponding to a first vertical thyristor Thl, and a right part corresponding to a second vertical thyristor Th2.
  • the lower face or rear face of the monolithic semiconductor component is coated with a metallization integral with a terminal A2.
  • This rear face corresponds to a main electrode of the triac and to the cathodes of the first and second thyristors.
  • On the front side there is the second main electrode Al of the triac, the anodes of the first and second thyristors, and a trigger terminal Gl of the triac.
  • the anode of the first thyristor is connected to a terminal 10 of a capacitor C, the other terminal of which is connected to ground.
  • the second main electrode Al of the triac is connected to ground.
  • the first main electrode A2 is connected to an alternating voltage, for example the sector at 50 or 60 Hz, by means of a load which one wishes to control.
  • the triac trigger is accessible from a Gl terminal.
  • the anode of thyristor Th2 is connected to terminal A1, that is to say to ground.
  • the anode region of thyristor Th2 contains an additional N-type region which is connected to terminal 10.
  • a switch S is connected in parallel to capacitor C. This switch SW can be controlled from a terminal G2.
  • the monolithic semiconductor component is formed from a substrate 1.
  • This substrate is lightly doped with type N.
  • a layer 2 of type P and regions are formed on the side of the rear face of the substrate.
  • 3 of type N are conventionally absent, opposite appropriate zones of the triac TR and are present opposite the region of anode 4 of thyristor Thl and region of anode 5 of thyristor Th2.
  • the additional region formed in the anode 5 of the thyristor Th2 is designated by the reference 6.
  • the triac comprises a region 7 of type P in which a region 8 of type N is formed. Regions 7 and 8 are coated with a metallization connected to the terminal A1, as is the anode region 5 of the thyristor Th2.
  • a metallization covers the additional region 6 and is connected to the terminal 10. Finally a metallization covers the anode region 4 and is also connected to the terminal 10.
  • the trigger Gl is connected to a metallization which covers a portion of the region 7 and an N-type region 9 formed therein.
  • the triac is said to work in one or the other of four quadrants Q1, Q2, Q3, Q4.
  • a reference terminal generally connected to ground, and we consider the polarities of the voltage on the other terminal, here terminal A2, and of the gate voltage on terminal Gl.
  • the triac is started in the first quadrant Ql when the voltages on terminals A2 and Gl are positive with respect to terminal Al.
  • the second quadrant Q2 when the voltage on terminal A2 is positive and that the voltage on terminal Gl is negative.
  • a current flows from terminal A2 towards terminal Al through the triac TR.
  • a current also flows from terminal A2 to terminal 10 via a PNP type transistor T1 made up of P-type layer 2 on the rear face, N-type substrate 1 and region 4 of P-type.
  • the capacitor C then charges at a voltage equal to the voltage drop in the state passing between the terminals A2 and Al minus the voltage drop in the saturation state
  • VCE sa t VCE sa t
  • the capacitor charges at a voltage level greater than 0.6 V. This level can be reached without too much difficulty since the voltage drop in the on state of a triac is normally of the order of 1.5 V while the saturation voltage of a PNP transistor is normally of the order of 0.3 V.
  • the gain of the PNP transistor must also be sufficient and that the main current in the triac, which corresponds to the base current of the PNP transistor is also sufficient, so that this transistor is saturated.
  • the capacity of the capacitor C must be sufficient since, as will be seen below, it is the charges accumulated in this capacitor which cause the conduction of the triac during the next alternation.
  • a capacitance of the order of 4.7 ⁇ F may be chosen for the capacitor C.
  • thyristor Th3 which comprises, from its anode to its cathode, layer 2 of type P connected to terminal A2, substrate 1 of type N, region 5 of type P and region 6 type N (free of short-circuit holes).
  • the cathode trigger of this sensitive thyristor corresponds to the P-type region 5 and is connected to ground.
  • this thyristor is suitably polarized between anode and cathode, it cannot become conducting in this operating phase, its trigger-cathode voltage then being negative or zero (this trigger-cathode voltage should be positive to make thyristor Th3 pass. ).
  • FIG. 1 shows by way of example a switch SW controlled by a control terminal G2 in parallel on the capacitor C.
  • a discharge resistance will be arranged in series with the switch SW.
  • the switch SW will be kept in the closed state as long as one does not wish to cause the triac TR to turn on again, to avoid tripping of this triac under the effect of a parasitic pulse. on the terminal Gl. Indeed, in the presence of a parasitic pulse, the triac could go into conduction and remain there under the effect of the capacitor C not short-circuited. It will be clear to those skilled in the art that, if a device is chosen in which the SW switch remains closed during the non-conduction phases of the triac, this SW switch should be opened immediately before applying a pulse to the Gl terminal when you want to initiate a conduction phase. Note, however, that this switch SW can be left closed if one wishes to operate the triac TR in a conventional manner under the sole effect of the command by the trigger Gl.
  • the device according to the present invention can also operate in control by complete periods. If we remove the part of the semiconductor component shown in Figure 1 corresponding to thyristor Th2, when the triac is triggered in the first or second quadrant, while the terminal A2 is positive with respect to terminal A1, a single control pulse at the start of a positive half-wave will cause the triac TR to be turned on for the entire positive half-wave. Then, the conduction will continue during the next negative alternation under the effect of the discharge of the capacitor C, then the triac will open.
  • the switch SW can be integrated in an isolated part of the substrate 1. It will be noted that this switch can be a low voltage switch since the capacitor C sees at its terminals at most a voltage of the order of 1 to 3 V. Thus, it is particularly simple to associate with this capacitor an inexpensive low-voltage switch which is easy to assemble. According to an advantage of the present invention, the triggers
  • Gl and G2 can both be grounded.
  • the control signals on these triggers are referenced with respect to ground and are therefore low voltage signals which are simple to implement.
  • the switch according to the invention is simple to use since it can be triggered during any operating phase and in any one of the quadrants Q1 to Q4. Similarly, the extinction can be carried out at any time.
  • the component can be adapted to specific requirements by optimizing the PNP transistor Tl ( Figure 2).
  • FIG. 1 shows N-type regions 11 arranged on the side of the upper face between the various P-type regions. These N-type regions are optional and have the usual function of channel stop regions intended to avoid l appearance of surface leakage currents.
  • a bidirectional component other than a triac can be used, for example a bidirectional component, the reference electrode of which the trigger is controlled corresponds to the metallization of the rear face.
  • ACS registered trademark of the company STMicroelectronics
  • FIG. 5 The application of the invention to such a component is illustrated in FIG. 5 in which there are the elements of a vertical bidirectional component ACS between the terminals Al and A2 in the center of the figure.
  • the thyristor Thl comprises, from its anode to its cathode, the P type region 4, the substrate 1, the P type region 7 and the N type region.
  • the transistor Th2 comprises, from its anode to its cathode, the P-type region 5, the substrate 1, the P-type region 7 and the N-type region 8.
  • lateral thyristors Thl and Th2 are formed on either side of this component or more generally next to this component.
  • A1 the main terminal on the rear face which is connected to ground and by A2 the main terminal on the front face which is connected to an AC voltage by means of a load.
  • the tripping of the vertical bidirectional component is ensured by an electrode G1 connected to an N type region 21 formed in a P type extension 22 of an insulation wall 23 passing through the semiconductor wafer and in continuity with the P type layer of rear face 2.
  • a capacitor C maintains the conduction at each change of polarity after the initial conduction of the vertical component.
  • One terminal of capacitor C is connected to ground.
  • the other terminal of capacitor C is connected to the anode of thyristor Thl and to the N type region 6 formed in the anode layer 5 of thyristor Th2.
  • Thyristors Thl and Th2 are now lateral thyristors.
  • the equivalent of the vertical PNP transistor T1 represented in FIG. 2 is a horizontal PNP transistor T2, the emitter of which corresponds to the P-type region 7 of the vertical bidirectional component, the base of which corresponds to the N-type substrate 1, and the collector corresponds to the P type anode region 4 of the lateral thyristor Thl.
  • FIG. 5 To determine the on or off state of the bidirectional switch in FIG. 5, it will be possible, as in the previous case, to determine whether the capacitor C is charged or not during an alternation or a period of the alternating signal applied. In this case, it is also possible to provide a detection element on the other side of an isolation wall which is crossed by carriers when a large current flows through the power component (B4438).
  • Figures 6 and 7 show alternative embodiments of the device of Figure 5. These variants consist essentially of modifications of the collector region of transistor T2 (anode region of thyristor Thl). In both cases, this anode region is extended by a deep P-type diffusion to increase the gain of the transistor.
  • this deep diffusion region is designated by the reference 25 and joins a deep diffusion 26 also of type P formed from the lower face.
  • the trigger zone Gl has been represented on the left side of the figure rather than on the right side to simplify the representation.
  • the present invention is susceptible of numerous other variants and modifications which will appear to those skilled in the art, in particular with regard to modifications of the main bidirectional vertical power component and variant embodiments of the auxiliary elements Th1 and Th2.
  • the bi-directional bistable component according to the present invention could be produced individually in a silicon wafer or be part of an overall structure incorporating other components of the same type, as described for example in American patent 6,075,277 ( B2578).

Landscapes

  • Thyristors (AREA)

Abstract

L'invention concerne un commutateur électronique bidirectionnel de type bistable à commande par impulsions comprenant un circuit semiconducteur monolithique comprenant une structure de commutateur bidirectionnel vertical (TR; ACS) munie d'une borne de gâchette (G1),des première (Th1) et deuxième (Th2) structures de thyristor dont les anodes sont formées du côté de la face avant, la région d'anode du premier thyristor contenant une région supplémentaire de type P (6), et une métallisation (A1; A2) reliée à la surface principale de face avant du composant bidirectionnel vertical et à l'anode du deuxième thyristor; un condensateur (C) connecté à l'anode du premier thyristor et à la région supplémentaire de type N du deuxième thyristor; et un interrupteur (SW) de mise en court-circuit du condensateur.

Description

COMMUTATEUR ELECTRONIQUE BIDIRECTIONNEL BISTABLE A COMMANDE PAR IMPULSIONS
La présente invention concerne un commutateur bidirectionnel bistable, c'est-à-dire un commutateur susceptible d'être rendu conducteur pendant plusieurs alternances de la tension alternative qui lui est appliquée à la suite "d'une impulsion de commande unique. Ce commutateur bistable peut ensuite être ouvert par application d'une nouvelle impulsion et rester à l'état ouvert jusqu'à réception d'une nouvelle impulsion de fermeture .
Une première catégorie de commutateurs bidirectionnels est constituée de commutateurs de type triac ou autres commutateurs bidirectionnels correspondant à des associations de thyristors. Une caractéristique commune de ces composants est qu'ils sont mis en conduction au cours d'une alternance donnée par une impulsion puis qu'ils s'ouvrent automatiquement quand le courant qui les traverse devient inférieur à un seuil déterminé, généralement appelé courant de maintien ijj. Ensuite, pour remettre en conduction de tels commutateurs bidirectionnels, il faut réappliquer une impulsion à chaque alternance pendant laquelle on veut que le composant soit mis à l'état passant. Ainsi, ces commutateurs ne sont pas bistables.
Une autre catégorie de commutateurs bidirectionnels est constituée de composants de type transistor MOS ou bipolaire qui deviennent passants lorsqu'un signal est appliqué à leur borne de commande mais pour lesquels il faut maintenir en permanence cet ordre de commande pour que le composant reste passant . De tels composants de type transistor ne sont pas commandables par impulsions. Dans l'art antérieur, on a prévu d'associer des composants semiconducteurs et des composants passifs en des circuits permettant d'obtenir un commutateur bidirectionnel bistable à commande par impulsions. Néanmoins, ces circuits sont relativement complexes et nécessitent généralement 1 ' association de plusieurs composants semiconducteurs et de plusieurs composants passifs.
La présente invention vise la réalisation sous forme essentiellement monolithique d'un tel commutateur bidirectionnel bistable à commande par impulsions. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un commutateur bidirectionnel de type bistable à commande par impulsions comprenant : un circuit semiconducteur monolithique formé à partir d'un substrat faiblement dopé de type N dont la face arrière est revêtue d'une métallisation, comprenant :
. une structure de commutateur bidirectionnel vertical munie d'une borne de gâchette ; . des première et deuxième structures de thyristor dont les anodes sont formées du côté de la face avant, la région d'anode du premier thyristor contenant une région supplémentaire de type P ; . une métallisation reliée à la surface principale de face avant du composant bidirectionnel vertical et à 1 ' anode du deuxième thyristor ; - un condensateur connecté à 1 ' anode du premier thyristor et à la région supplémentaire de type N du deuxième thyristor ; un interrupteur de mise en court-circuit du condensateur . Selon un mode de réalisation de la présente invention, le circuit semiconducteur monolithique comprend un substrat de type N ; et
- du côté de la face avant : une première région de type P dans laquelle est formée une deuxième région de type N correspondant à la première électrode principale du commutateur bidirectionnel, une deuxième région de type P correspondant à 1 ' anode du premier thyristor, une troisième région de type P correspondant à l'anode du deuxième thyristor et contenant une région supplémentaire de type N ;
- du côté de la face arrière une couche de type P ; dans cette couche de type P, des régions de type N, interrompues notamment aux emplacements où le composant bidirectionnel comprend une région de type N du côté de sa face supérieure .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, un contact de gâchette est solidaire de la première région de type P et d'une région de type N qui y est formée, la structure de commutateur bidirectionnel étant de type triac.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le commutateur comprend un mur d'isolement reliant la face supé- rieure à la couche inférieure de type P et contenant une région de type N du côté de sa face supérieure dont est solidaire une borne de gâchette, la structure de commutateur bidirectionnel étant de type ACS.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, 1 ' électrode de face arrière est reliée à une tension alternative, l'électrode de face avant de la structure de commutateur bidirectionnel étant reliée à la masse.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'électrode de face avant est reliée à une tension alternative, 1 ' électrode de face avant de la structure de commutateur bidirectionnel étant reliée à la masse.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation d'un commutateur bidirectionnel bistable selon la présente invention, les figures 2 à 4 illustrent diverses phases de fonctionnement du commutateur bidirectionnel bistable de la figure
1, la figure 5 est une vue en coupe schématique d'un deuxième mode de réalisation d'un commutateur bidirectionnel bistable selon la présente invention, et les figures 6 et 7 sont des vues en coupe schématique de variantes du deuxième mode de réalisation de la présente invention. Comme l'illustre la figure 1, un commutateur bidirectionnel bistable selon la présente invention comprend essentiellement un circuit ou composant semiconducteur monolithique formé à partir d'un substrat semiconducteur 1 et un condensateur C. Le composant semiconducteur monolithique comprend une partie centrale correspondant à un triac vertical TR, une partie gauche correspondant à un premier thyristor vertical Thl, et une partie droite correspondant à un deuxième thyristor vertical Th2. La face inférieure ou face arrière du composant semiconducteur monolithique est revêtue d'une métallisation solidaire d'une borne A2. Cette face arrière correspond à une électrode principale du triac et aux cathodes des premier et deuxième thyristors. Du côté de la face avant, on trouve la deuxième électrode principale Al du triac, les anodes des premier et deuxième thyristors, et une borne Gl de gâchette du triac. L'anode du premier thyristor est reliée à une borne 10 d'un condensateur C dont l'autre borne est reliée à la masse. La deuxième électrode principale Al du triac est reliée à la masse. La première électrode principale A2 est reliée à une tension alternative, par exemple le secteur à 50 ou 60 Hz, par 1 ' intermédiaire d'une charge que 1 'on souhaite commander. La gâchette du triac est accessible à partir d'une borne Gl. L'anode du thyristor Th2 est connectée à la borne Al, c'est-à- dire à la masse. La région d'anode du thyristor Th2 contient une région supplémentaire de type N qui est connectée à la borne 10. Un commutateur S est connecté en parallèle sur le condensateur C. Ce commutateur SW est commandable à partir d'une borne G2.
Comme on l'a indiqué, le composant semiconducteur monolithique est constitué à partir d'un substrat 1. Ce substrat est faiblement dopé de type N. Du côté de la face arrière du substrat, sont formées une couche 2 de type P et des régions 3 de type N. Les régions 3 de type N sont absentes, de façon classique, en regard de zones appropriées du triac TR et sont présentes en face de la région d'anode 4 du thyristor Thl et de la région d'anode 5 du thyristor Th2.
Du côté de la face avant, la région supplémentaire formée dans l'anode 5 du thyristor Th2 est désignée par la référence 6. Le triac comprend une région 7 de type P dans laquelle est formée une région 8 de type N. Les régions 7 et 8 sont revêtues d'une métallisation reliée à la borne Al, de même que la région d'anode 5 du thyristor Th2. Une métallisation recouvre la région supplémentaire 6 et est connectée à la borne 10. Enfin une métallisation recouvre la région d'anode 4 et est également reliée à la borne 10. La gâchette Gl est reliée à une métallisation qui recouvre une portion de la région 7 et une région 9 de type N qui y est formée.
Avant d'expliquer le fonctionnement du dispositif de la figure 1, on rappellera les désignations classiques des modes d'amorçage d'un commutateur bidirectionnel, par exemple un triac . On dit que le triac fonctionne dans 1 'un ou 1 ' autre de quatre quadrants Ql, Q2, Q3, Q4. On choisit une borne de référence, généralement reliée à la masse, et on considère les polarités de la tension sur l'autre borne, ici la borne A2, et de la tension de gâchette sur la borne Gl . On dit que le triac est amorcé dans le premier quadrant Ql quand les tensions sur les bornes A2 et Gl sont positives par rapport à la borne Al. On est dans le deuxième quadrant Q2 quand la tension sur la borne A2 est positive et que la tension sur la borne Gl est négative. On est dans le troisième quadrant Q3 quand les tensions sur les bornes A2 et Gl sont négatives. Enfin, on est dans le quatrième quadrant Q4 quand la tension sur la borne A2 est négative et que la tension sur la borne Gl est positive.
On va maintenant étudier le fonctionnement du composant de la figure 1 après qu'une impulsion a été appliquée sur la borne de gâchette Gl, pour extraire ou insérer un courant dans la gâchette.
On considérera d'abord que, au moment où le commutateur selon 1 ' invention est commandé pour devenir conducteur, l'électrode A2 est positive par rapport à l'électrode Al. Dans ce cas, l'application d'une tension sur la borne Gl entraîne 1 ' amorçage du triac dans le quadrant Ql ou Q2.
Alors, comme l'illustre la figure 2, un courant circule de la borne A2 vers la borne Al à travers le triac TR. Un courant circule aussi de la borne A2 vers la borne 10 en passant par un transistor Tl de type PNP constitué de la couche 2 de type P de face arrière, du substrat 1 de type N et de la région 4 de type P. Le condensateur C se charge alors à une tension égale à la chute de tension à l'état passant entre les bornes A2 et Al moins la chute de tension à 1 ' état de saturation
(VCEsat) du transistor Tl. Comme on le verra par la suite, il faut que, pendant la durée de conduction du triac au cours de l'alternance considérée, le condensateur se charge à un niveau de tension supérieur à 0,6 V. Ce niveau peut être atteint sans trop de difficulté puisque la chute de tension à l'état passant d'un triac est normalement de l'ordre de 1,5 V tandis que la tension de saturation d'un transistor PNP est normalement de l'ordre de 0,3 V. Il faut toutefois en outre que le gain du transistor PNP soit suffisant et que le courant principal dans le triac, qui correspond au courant de base du transistor PNP soit également suffisant, pour que ce transistor soit saturé. En outre, il faut que la capacité du condensateur C soit suffisante puisque, comme on le verra ci-après, ce sont les charges accumulées dans ce condensateur qui provoquent la conduction du triac lors de l'alternance suivante. Dans un exemple pratique, on pourra choisir une capacité de 1 ' ordre de 4,7 μF pour le condensateur C. On notera subsidiairement que, pendant cette phase de fonctionnement dans laquelle la borne A2 est positive par rapport à la borne Al, les thyristors Thl et Th2 sont polarisés en inverse et ne sont pas passants.
On notera qu'il existe aussi un thyristor sensible Th3 qui comprend, de son anode à sa cathode, la couche 2 de type P reliée à la borne A2, le substrat 1 de type N, la région 5 de type P et la région 6 de type N (exempte de trous de court- circuit) . La gâchette de cathode de ce thyristor sensible correspond à la région 5 de type P et est connectée à la masse. Bien que ce thyristor soit convenablement polarisé entre anode et cathode, il ne peut devenir passant dans cette phase de fonctionnement, sa tension gâchette-cathode étant alors négative ou nulle (il faudrait que cette tension gâchette-cathode soit positive pour rendre passant le thyristor Th3) .
A la fin de 1 'alternance positive, une fois que le courant dans le triac devient inférieur au courant de maintien ∑H de ce triac, celui-ci a tendance à ne plus être dans un état conducteur. Toutefois, la borne 10 est alors plus positive que la borne Al et, étant donné qu' il existe des charges dans le substrat 1, le thyristor latéral PNPN ayant pour anode la région 4 de type P et pour cathode la région 8 de type N connectée à la borne Al devient passant. On peut également dire que le courant injecté à partir de la borne 10 maintient le courant dans le triac TR au-dessus de la valeur du courant de maintien IJJ de ce triac. Ainsi, à la fin de l'alternance positive, il existe toujours des charges dans le substrat au voisinage de la jonction entre ce substrat et la région 7 de type P. Par conséquent, comme l'illustre la figure 3, quand la tension s ' inverse sur la borne A2 , et que cette borne devient négative par rapport à la borne Al, les thyristors Thl et Th2 qui sont polarisés dans le sens passant, et le triac TR, commutent à 1 ' état passant en raison de la subsistance de charges dans le substrat au moment de l'inversion de tension. La borne 10 du condensateur C se charge donc négativement par 1 ' intermédiaire du thyristor Thl qui se bloque dès que cette charge atteint un niveau voisin de la chute de tension à 1 ' état passant du triac. Par contre, le thyristor Th2 continue à conduire et le courant se répartit entre le triac TR et le thyristor Th2.
A l'étape illustrée en figure 4, on suppose que la tension sur la borne A2 redevient positive. Dès que la tension sur la borne A2 devient suffisamment supérieure à la tension sur la borne Al, le thyristor Th3 susmentionné devient passant, un courant de gâchette étant généré par la décharge du condensateur C et circulant de la région 5 de type P à la région 6 de type N. La mise en conduction du thyristor Th3 génère des charges dans le substrat et permet la mise en conduction du triac TR. On retrouve alors la situation existant à l'étape illustrée en figure 2 et le condensateur C se recharge à nouveau avec une tension positive sur sa borne 10 pour permettre la répétition des étapes décrites précédemment lors du déroulement des alternances successives de la tension alternative appliquée à la borne A2.
On a ainsi montré que l'ensemble du composant semiconducteur représenté en figure 1 et du condensateur C constituait un interrupteur bidirectionnel fonctionnant sur du courant alternatif et pouvant être mis en conduction par une impulsion, et restant ensuite indéfiniment à l'état conducteur sous l'effet de la charge et de la décharge du condensateur C.
Pour ouvrir cet interrupteur, il faut décharger le condensateur C pour éviter qu'il ne remette en conduction le triac TR lors de l'alternance suivante. On a représenté en figure 1 à titre d'exemple un commutateur SW commandé par une borne de commande G2 en parallèle sur le condensateur C. De préférence, une résistance de décharge sera disposée en série avec l'interrupteur SW. Ainsi, dès qu'une impulsion d'ouverture est appliquée sur la borne G2, le condensateur C se décharge et le triac s'ouvre à la fin de l'alternance en cours. Le dispositif pourra fonctionner avec une simple commande par impulsion sur la borne G2, cette impulsion ayant de préférence une durée non négligeable par rapport à la durée d'une alternance. Toutefois, de préférence, on maintiendra le commutateur SW à 1 ' état fermé tant que 1 'on ne souhaite pas provoquer à nouveau la mise en conduction du triac TR, pour éviter un déclenchement de ce triac sous l'effet d'une impulsion parasite sur la borne Gl. En effet, en présence d'une impulsion parasite, le triac pourrait se mettre en conduction et y demeurer sous l'effet du condensateur C non court-circuité. Il sera clair pour l'homme de l'art que, si on choisit un dispositif dans lequel le commutateur SW reste fermé pendant les phases de non conduction du triac, il conviendra d'ouvrir ce commutateur SW immédiatement avant d'appliquer une impulsion sur la borne Gl quand on souhaite initier une phase de mise en conduction. On notera toutefois qu'on peut laisser ce commutateur SW fermé si 1 'on souhaite faire fonctionner le triac TR de façon classique sous le seul effet de la commande par la gâchette Gl .
Le dispositif selon la présente invention peut également fonctionner en commande par périodes complètes. Si on supprime la partie du composant semiconducteur représenté en figure 1 correspondant au thyristor Th2, quand le triac est déclenché dans le premier ou le deuxième quadrant, tandis que la borne A2 est positive par rapport à la borne Al, une impulsion de commande unique au début d'une alternance positive entraînera la mise en conduction du triac TR pendant toute 1 ' alternance positive. Ensuite, la conduction se poursuivra pendant 1 ' alternance négative suivante sous 1 ' effet de la décharge du condensateur C, puis le triac s'ouvrira.
L 'homme de 1 'art comprendra que 1 'on pourrait également modifier le composant de la figure 1 de façon à ce qu'il reste conducteur pendant une période complète après une mise en conduction sur une alternance négative. Pour cela, on pourra par exemple, en conservant grosso modo la structure de la figure 1, réduire la surface de la région 4 de type P formant l'anode du thyristor Thl. Ainsi, le transistor Tl (voir figure 2) ne permet pas de charger suffisamment le condensateur C pendant une alternance positive mais le thyristor Thl peut le faire pendant une alternance négative.
On a décrit précédemment la commande de mise en conduction de 1 ' interrupteur selon la présente invention dans un quadrant Ql ou Q2, c'est-à-dire à un moment où la borne A2 est positive par rapport à la borne Al. Si on se place dans un quadrant Q3 ou Q4, c'est-à-dire à un moment où la borne A2 est négative par rapport à la borne Al, on revient en fait au système décrit en relation avec la figure 3. Le déclenchement initial est provoqué par l'action sur la gâchette Gl et, ensuite, les thyristors Thl et Th2 deviennent conducteurs et le condensateur C se charge pour initier un fonctionnement qui se poursuit de la façon décrite précédemment.
Selon un avantage de la présente invention, on peut à tout moment déterminer quel est l'état (fermé ou ouvert) du commutateur selon la présente invention. Il suffit de mesurer la tension aux bornes du condensateur. Si, au cours d'une période (20 ms) , cette tension dépasse une valeur de 0,2 V, on sait que le commutateur est passant (ON) . On pourra également faire une comparaison à un seuil de ± 0,2 V toutes les 10 ms. Ces valeurs de 20 et de 10 ms sont données dans le cas d'une tension pério- dique du secteur à 50 hertz. Ces valeurs seront changées de façon appropriée si la tension alternative appliquée au commutateur selon la présente invention est à une fréquence autre que 50 hertz, par exemple, s'il s'agit de la tension à 60 hertz généralement utilisée dans les pays anglo-saxons.
La présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le commutateur SW peut être intégré dans une partie isolée du substrat 1. On notera que cet interrupteur peut être un interrupteur faible tension puisque le condensateur C voit à ses bornes au maximum une tension de l'ordre de 1 à 3 V. Ainsi, il est particulièrement simple d'associer à ce condensateur une interrupteur basse tension peu coûteux et facile à monter . Selon un avantage de la présente invention, les gâchettes
Gl et G2 peuvent toutes deux être mises à la masse. Les signaux de commande sur ces gâchettes sont référencés par rapport à la masse et sont donc des signaux basse tension simples à mettre en oeuvre . Le commutateur selon 1 ' invention est simple à utiliser étant donné qu'il peut être déclenché lors de n'importe quelle phase de fonctionnement et dans l'un quelconque des quadrants Ql à Q4. De même, l'extinction peut être effectuée à tout moment.
On pourra adapter le composant à des exigences spéci- fiques en optimisant le transistor PNP Tl (figure 2) .
On a représenté en figure 1 des régions 11 de type N disposées du côté de la face supérieure entre les diverses régions de type P. Ces régions de type N sont optionnelles et ont la fonction habituelle de régions d'arrêt de canal destinées à éviter l'apparition de courants de fuite en surface.
D'autre part, la surface du triac de puissance peut être réduite étant donné que le thyristor auxiliaire Th2 complète le fonctionnement de ce triac dans 1 'une des polarités de fonctionnement de celui-ci (borne A2 négative par rapport à la borne Al) . Selon une variante de 1 ' invention, on peut utiliser un composant bidirectionnel autre qu'un triac, par exemple un composant bidirectionnel dont 1 'électrode de référence par rapport à laquelle est commandée la gâchette correspond à la métallisation de face arrière. Un tel composant, que l'on désignera par le sigle ACS (marque déposée de la société STMicroelectronics) est décrit notamment dans la demande de brevet américain N° 6034381 (B3073) .
L'application de l'invention à un tel composant est illustrée en figure 5 dans laquelle on trouve les éléments d'un composant bidirectionnel vertical ACS entre les bornes Al et A2 au centre de la figure. Le thyristor Thl comprend, de son anode à sa cathode, la région 4 de type P, le substrat 1, la région 7 de type P et la région 8 de type N. Le transistor Th2 comprend, de son anode à sa cathode, la région 5 de type P, le substrat 1, la région 7 de type P et la région 8 de type N. De part et d'autre de ce composant ou plus généralement à côté de ce composant sont formés des thyristors latéraux Thl et Th2. Cette fois-ci on désigne par Al la borne principale de face arrière qui est connectée à la masse et par A2 la borne principale de face avant qui est connectée à une tension alternative par 1 ' intermédiaire d'une charge . Le déclenchement du composant bidirectionnel vertical est assuré par une électrode Gl reliée à une région de type N 21 formée dans un prolongement 22 de type P d'un mur d'isolement 23 traversant la plaquette semiconductrice et en continuité avec la couche de type P de face arrière 2. Comme précédemment, un condensateur C assure le maintien en conduction à chaque changement de polarité après la mise en conduction initiale du composant vertical. Une borne du condensateur C est connectée à la masse. L'autre borne du condensateur C est connectée à l'anode du thyristor Thl et à la région 6 de type N formée dans la couche d'anode 5 du thyristor Th2. L ' homme de 1 ' art comprendra que le fonctionnement de ce système est similaire à ce qui a été décrit précédemment. Les thyristors Thl et Th2 sont maintenant des thyristors latéraux. L'équivalent du transistor PNP vertical Tl représenté en figure 2 est un transistor PNP horizontal T2 , dont 1 ' émetteur correspond à la région 7 de type P du composant bidirectionnel vertical, dont la base correspond au substrat 1 de type N, et dont le collecteur correspond à la région d'anode 4 de type P du thyristor latéral Thl.
Pour déterminer 1 'état passant ou bloqué du commutateur bidirectionnel de la figure 5, on pourra comme dans le cas précédent déterminer si le condensateur C est chargé ou non pendant une alternance ou une période du signal alternatif appliqué. Dans ce cas, on pourra également prévoir un élément de détection de l'autre côté d'un mur d'isolement qui est traversé par des porteurs quand un courant important parcourt le composant de puissance (B4438) . Les figures 6 et 7 représentent des variantes de réalisation du dispositif de la figure 5. Ces variantes consistent essentiellement en des modifications de la région de collecteur du transistor T2 (région d'anode du thyristor Thl) . Dans les deux cas, cette région d'anode est prolongée par une diffusion profonde de type P pour augmenter le gain du transistor.
Dans le cas de la figure 6, cette région de diffusion profonde est désignée par la référence 25 et rejoint une diffusion profonde 26 également de type P formée à partir de la face inférieure. La partie inférieure de la diffusion profonde
26 est recouverte d'une couche d'oxyde 27 pour isoler les régions de type P 4-25-26 de l'électrode Al qui est connectée à la masse.
Dans le cas de la figure 7, seule la diffusion profonde 25 est formée.
En outre, les figures 6 et 7 représentent diverses variantes de détail par rapport à la représentation de la figure
5. Notamment, la zone de gâchette Gl a été représentée du côté gauche de la figure plutôt que du côté droit pour simplifier la représentation. La présente invention est susceptible de nombreuses autres variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne des modifications du composant de puissance vertical bidirectionnel principal et des variantes de réalisation des éléments auxiliaires Thl et Th2.
Le composant bidirectionnel bistable selon la présente invention pourrait être réalisé isolément dans une plaquette de silicium ou faire partie d'une structure d'ensemble incorporant d'autres composants du même type, comme cela est décrit par exemple dans le brevet américain 6 075 277 (B2578) .

Claims

REVENDICATIONS
1. Commutateur électronique bidirectionnel de type bistable à commande par impulsions comprenant : un circuit semiconducteur monolithique formé à partir d'un substrat (1) faiblement dopé de type N dont la face arrière est revêtue d'une métallisation (A2) , comprenant :
. une structure de commutateur bidirectionnel vertical (TR
; ACS) munie d'une borne de gâchette (Gl) ; . des première (Thl) et deuxième (Th2) structures de thyristor dont les anodes sont formées du côté de la face avant, la région d'anode du premier thyristor contenant une région supplémentaire de type P (6) ; . une métallisation (Al ; A2) reliée à la surface principale de face avant du composant bidirectionnel vertical et à 1 ' anode du deuxième thyristor ; - un condensateur (C) connecté à l'anode du premier thyristor et à la région supplémentaire de type N du deuxième thyristor ;
- un interrupteur (SW) de mise en court-circuit du condensateur .
2. Commutateur électronique selon la revendication 1, dans lequel le circuit semiconducteur monolithique comprend un substrat (1) de type N ; et
- du côté de la face avant : une première région de type P (7) dans laquelle est formée une deuxième région (8) de type N correspondant à la première électrode principale (Al ; A2) du commutateur bidirectionnel, une deuxième région de type P (4) correspondant à 1 ' anode du premier thyristor, une troisième région de type P (5) correspondant à
1 ' anode du deuxième thyristor et contenant une région supplémentaire (6) de type N ;
- du côté de la face arrière : une couche de type P (2) ; dans cette couche de type P, des régions (3) de type N, interrompues notamment aux emplacements où le composant bidirectionnel comprend une région de type N du côté de sa face supérieure .
3. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un contact de gâchette est solidaire de la première région (7) de type P et d'une région (9) de type N qui y est formée, la structure de commutateur bidirectionnel étant de type triac .
4. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un mur d'isolement reliant la face supérieure à la couche inférieure de type P (2) et contenant une région de type N (21) du côté de sa face supérieure dont est solidaire une borne de gâchette, la structure de commutateur bidirectionnel étant de type ACS.
5. Commutateur selon la revendication 3 , caractérisé en ce que 1 ' électrode de face arrière est reliée à une tension alternative, l'électrode de face avant de la structure de commutateur bidirectionnel étant reliée à la masse.
6. Commutateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que 1 ' électrode de face avant est reliée à une tension alternative, 1 ' électrode de face avant de la structure de commutateur bidirectionnel étant reliée à la masse.
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