A Le composant IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Les transistors IGBT sont des dispositifs mixtes dont la structure résulte d’un « mariage » entre celles d’un transistor à effet de champ (MOSFET) et d’un transistor bipolaire (BJT) [Let02]. De façon plus rigoureuse, il serait plus approprié de parler d’une utilisation mixte de l’effet bipolaire (BJT) et de l’effet unipolaire (MOSFET) [Let99]. Il est possible de remarquer que la structure de l’IGBT classique de type planar (Cf figure 1.18) dérive de celle du transistor MOS de puissance par substitution d’un émetteur P à la région N+ de drain. Cet émetteur a pour fonction d’injecter dans la région faiblement dopée N- des porteurs minoritaires (trous) afin d’assurer, dans l’état passant, la modulation de conductivité qui fait défaut aux composants MOS. Ainsi peuvent être conjuguées, dans certaines limites, des qualités complémentaires des transistors MOS (commande « isolée » en tension, stabilité

P u issan ce [ V A ] Fréquence [Hz] HV-IGBT IGCT GTO Thyr is to r 101 ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 102 104 106 108 MOSFET CoolMOS IGBT Source ABB

électrothermique entre cellules élémentaires) et des transistors bipolaires (injection de deux types de porteurs, modulation de conductivité, « bon compromis » entre tension bloquée et courant passant). Ainsi le composant IGBT relaie les composants MOS dans les domaines de fortes tensions (gamme des kilovolts) et permet de les remplacer avantageusement. La technologie des IGBT reste étroitement liée à celle des transistors MOS de puissance ; notamment, la configuration géométrique multicellulaire. Les plus forts calibres en courant (gamme des kilo ampères) sont obtenus par mise en parallèle de plusieurs puces IGBT, sous forme de modules.

1.2.A.1 Principe de fonctionnement des IGBT

Le schéma de la structure typique, d’un composant IGBT multicellulaire à canal N, est représenté figure 1.18.a. Pour les applications proprement dites de puissance (conversion d’énergie), les IGBT conservent la disposition générale verticale des composants VMOS (Vertical MOS) [Let02]. L’IGBT est commandé par une tension à l’image du transistor MOSFET. Dans la structure de la figure 1.18 on peut reconnaître l’imbrication d’un transistor bipolaire « principal » PNP commandé par le MOSFET et d’un transistor parasite NPN, monté en thyristor avec le transistor bipolaire PNP.

Figure 1.18: Schéma d’un IGBT multicellulaire de type NPT avec superposition de son circuit électrique équivalent. Base N- Émetteur P+ P N+ N+ N+ P+ P P Canal MOS Contact de Cathode Contact d’Anode Court- Circuit Cellule élémentaire Distance intercellulaire Grille IAK IMOS Rlat

La région N- large et peu dopée est destinée à supporter la charge d’espace de la jonction bloquante (constituée, sous polarisation directe, par les jonctions des caissons P). Cette zone large est commune aux deux transistors PNP et NPN : cette région joue le rôle de zone de drain pour le transistor MOS (plus précisément de zone de « drift ») et constitue (seule, dans le cas du Non-Punch-Through, ou associée à une couche tampon, dans le cas du Punch- Through) la base du transistor bipolaire.

Cette base faiblement dopée est donc nécessaire pour supporter des tensions importantes à l’état bloqué ; mais elle contribue également à l’augmentation de la résistance du composant à l’état passant. L’adjonction d’un émetteur P (jonction P+N-) participe à la réduction de cette résistance à l’état passant. En effet, l’émetteur P a pour rôle d’injecter des porteurs minoritaires (trous) dans la zone épaisse du composant. Cela conduit à créer un régime de forte injection (autant d’électrons que de trous) dans la région Quasi-Neutre N- qui réduit de façon significative la chute de tension dans la zone de base en raison de la modulation de conductivité.

En contrepartie, ce processus (forte injection) implique l’augmentation de la durée de blocage de la structure. Ceci est la conséquence directe du temps nécessaire à l’évacuation des porteurs stockés dans la base par diffusion dans un premier temps et par recombinaison dans un deuxième temps. Ainsi, pour des raisons qui tiennent au contrôle de l’injection des charges (gain du transistor bipolaire), l’émetteur P est mince et peu dopé dans les structures NPT (No- Punch-Through), au contraire d’épaisseur supérieure et fortement dopé dans les structures PT (Punch-Through). Ces structures IGBT sont décrites plus amplement dans un paragraphe ultérieur 1.2.B.

On peut donc remarquer que le courant total statique dans l’IGBT peut être partagé en deux principales parties. Un courant d’électrons (IMOS) traversant le canal et un courant de

trous (IPNP) injectés par le substrat P+ (anode).

Au final on s’aperçoit alors qu’il existe un compromis à réaliser entre la chute de tension à l’état passant et la vitesse de commutation du dispositif comme dans l’ensemble des composants de puissance bipolaires.

1.2.A.2 Inconvénients intrinsèques des IGBTs

Queue de courant

Une importante caractéristique de l’IGBT est celle liée à sa capacité de coupure du courant qui le traverse. Le blocage de l’IGBT (à canal N) s’effectue par l’annulation ou la polarisation

négative de sa grille par rapport à sa source. Tant que le courant passe dans le MOSFET interne, le canal de ce dernier contrôle la caractéristique de sortie de l’IGBT. Quand la tension grille-source passe au dessous de la tension de seuil de la structure MOSFET, le canal disparaît, et supprime ainsi le courant d’électrons. Après l’annulation du courant de la partie MOS, le courant total dans l’IGBT continue à décroître tant que des charges restent stockées dans la base N- : c’est le phénomène de la queue de courant.

La rapidité de fonctionnement de l’IGBT est tributaire de cette queue de courant. La réduction du gain du transistor PNP entraîne une évacuation plus rapide de la charge stockée et une base moins modulée (donc une chute de tension plus importante).

En conséquence un compromis doit être fait quant à la rapidité et les pertes en conduction du composant IGBT.

Déclenchement parasite ou « latch-up »

Le phénomène de latch-up correspond au déclenchement du thyristor parasite de la structure. Ce dernier est fortement lié à la concentration moyenne du caisson P/P+ qui fixe la valeur d’une résistance latérale nommée ici Rlat [Azz97] (Cf. figure 1.18). Les chemins utilisés

par les trous injectés dans la zone faiblement dopée N- sont cruciaux pour la bonne marche de l'IGBT. Normalement les trous se déplacent verticalement (en ligne droite) directement vers la métallisation de l'émetteur (Cf. figure 1.19.a). Cependant la plupart de ces trous sont attirés par la proximité de la zone d'inversion (canal MOS) dont la charge spatiale est négative. Il en résulte une composante de courant de trous se déplaçant latéralement dans la zone de diffusion P. Cette composante provoque une chute de tension latérale due à la résistance de la zone de diffusion P (Rlat). Cette chute de tension peut provoquer la mise en conduction de

l’émetteur du transistor NPN et donc de la mise en conduction du transistor parasite. Si cela se produit, les deux transistors, NPN et PNP seront conducteurs simultanément et le thyristor composé de ces deux transistors sera mis en conduction, provoquant le latch-up de l'IGBT. Pour un IGBT donné avec une géométrie spécifiée, il existe un courant critique au-delà duquel la chute de tension latérale sera suffisante pour activer le thyristor [Bon03]. Les données du fabricant spécifient un courant maximal ICM pouvant circuler dans l'IGBT. Il

existe une tension VGE correspondante pour laquelle on peut assurer que ce courant ne sera

jamais atteint.

Ce déclenchement entraîne la perte de contrôle de l’IGBT ; il est en effet, dans ce mode de fonctionnement, impossible de contrôler le courant dans l’IGBT par la grille. Si le latch-up

n'est pas terminé dans des délais très brefs, l'IGBT sera détruit par dissipation excessive de puissance. Le phénomène de latch-up peut survenir quand l’IGBT est en fonctionnement statique ou dynamique. Certains paramètres en particulier ont une influence sur le niveau de déclenchement de cet effet parasite et sont : la valeur du dopage du caisson P/P+, le nombre de cellules mises en parallèle et la température.

Néanmoins, de nos jours, pour les IGBT modernes le problème de latch-up est complètement résolu par des moyens de conception. Ce phénomène n’apparaîtra qu’après la valeur du courant limite indiqué, si on ne dépasse pas la tension maximale grille-émetteur admise.