Défaillances des IGBT

Si les IGBT sont capables de conduire de très forts courants avec de faibles chutes de tension à l’état passant du fait de l’injection de por-teurs minoritaires dans la base, il n’en reste pas moins vrai qu’ils peuvent êtres soumis à des mécanismes de défaillances. Ces derniers sont dé-clenchés par des régimes extrêmes de fonctionnement. Ils peuvent êtres il-lustrés par une condition de court-circuit aux bornes d’un IGBT où la puis-sance à dissiper devient importante. Ainsi, avant de traiter la chronologie d’une condition de court-circuit, nous présentons les deux mécanismes de défaillance intervenants dans cette catégorie de régime extrêmes.

2.4.2.1 Phénomène d’accrochage ou « Latchup » [41]

Dans le fonctionnement normal d’un IGBT, le courant de trous ré-cupéré par la cathode est constitué de deux composantes. L’une verticale traversant la région P+, l’autre latérale circulant dans la région P (figure 20.a). Ce courant latéral induit une chute de tension fonction de la résis-tance de la couche P. Cette résisrésis-tance est modélisée sous l’appellation de

spreading resistance. Lorsque cette chute de tension atteint une valeur de

l’ordre de 0,6V, la jonction N+P (cathode - caisson P) se polarise en direct. Cette dernière injecte donc des électrons qui transitent vers la région N- via le caisson P : il y a donc apparition de l’effet transistor. Le transistor bipo-laire parasite (N+PN-) ainsi charge la base du deuxième transistor bipolaire PN-P+ qui devient passant à son tour (figure 20.b).

Dans ce cas, les deux transistors bipolaires ont un fonctionnement bouclé formant ainsi un thyristor parasite. Pour un IGBT donné, il existe une valeur de courant d’anode associé à une valeur de tension grille cath-ode pour lesquels la condition de latchup intervient. Lorsqu’un IGBT est en mode Latchup (on dit aussi qu’il fonctionne en mode « thyristor »), la ten-sion grille cathode n’a plus aucun contrôle sur le courant d’anode. De la même manière que pour un thyristor, la seule façon d’éteindre le composant est de diminuer le courant d’anode en dessous d’une valeur du courant ap-pelée courant de maintien. Ceci doit être fait rapidement car dans le cas contraire, la destruction de l’IGBT intervient à cause d’une dissipation d’énergie trop importante.

Ce type de latchup est appelé latchup statique car il se produit pour un couple de valeur (courant d’anode, tension grille-cathode) continu. Il existe cependant un autre mode de latchup qui peut intervenir lors de l’extinction de l’IGBT pour des valeurs de courant inférieures à celle du latchup statique. Ce mode de latchup est appelé « latchup dynamique ». En effet, selon la cinétique d’extinction de l’IGBT, la base N- du transistor bi-polaire PN-P+ peut être, transitoirement, rapidement dépeuplée du fait de son faible dopage. Ce phénomène va augmenter le gain du transistor bipo-laire PNP et ainsi la proportion de trous injectés dans la région de drift. Le courant latéral va augmenter (figure 20) et les conditions de latchup peu-vent êtres réunies.

(a) (b)

2.4.2.2 Le second claquage électrique [42]

Le second claquage électrique entre en ligne de compte lorsque la structure semi-conductrice est traversée par de forts courants de porteurs sous une tension de valeur importante. C’est le cas lors de transitoires de commutation et dans les cas extrêmes de fonctionnement comme le court-circuit. Dans ces conditions, la charge des porteurs en transit modifie la Z.C.E créée par les charges fixes dopantes. Le profil du champ électrique à la jonction bloquante est ainsi modifié favorisant, selon le cas, le perçage ou le claquage par avalanche prématuré (figure 21). Ces conditions de fonc-tionnement peuvent s’accompagner, en fonction du mode de commande du dispositif, d’effets de résistance dynamique négative, de focalisation de lignes de courant menant à la destruction du composant par fusion localisée du cristal.

Figure 21 Evolution du champ électrique favorisant le claquage par avalanche prématuré (a) ou le perçage (b)

Dans les IGBT, le second claquage électrique peut intervenir dans différents cas. Les plus fréquents sont les suivants :

• À l’ouverture sur charge inductive. Dans ce cas, la tension anode-cathode et le courant d’anode sont élevés alors même que le courant d’électrons dans le canal est annulé par la commande de grille. Seuls les trous traversent la ZCE et contribuent à la modification de la charge d’espace et donc du profil du champ électrique. Le champ maximum à la jonction P+/N est alors augmenté et la tension de cla-quage par avalanche est abaissée.

• À la fermeture sur charge inductive. Les conditions de po-larisation sont identiques à celles de l’ouverture, mais cette fois-ci, les deux types de porteurs interviennent. Selon le signe du bilan des charges mobiles, deux situations sont envisageables. Si le bilan est positif, on se trouve dans les

mêmes conditions qu’à l’ouverture (abaissement de la ten-sion de claquage par avalanche). Si il est négatif, les con-ditions sont favorables au perçage.

2.4.2.3 Le facteur thermique [15]

L’augmentation de la température améliore a priori la tenue en tension d’une jonction semi-conductrice du fait de la diminution des valeurs des coefficients d’ionisation. Cette amélioration est rapidement limitée par l’emballement thermique qui peut être provoqué par l’augmentation du courant inverse de porteurs minoritaires. Cette instabilité thermique peut être exprimée par la relation de l’équation 5.

Equation 5 Condition d’instabilité thermique d’une jonction semi-conductrice. P=VR.IR(T) puissance dissipée, Rth : résistance thermique entre la jonction et le milieu ambiant, VR : tension inverse, IR(T) : courant inverse à la température de jonction T.

Cette équation explicite le fait qu’une limitation autre que le cla-quage par avalanche peut intervenir lorsque la température augmente. Ain-si, pour une tension inverse V_R donnée et une température T, il existe une valeur maximale du courant inverse IR au-delà de laquelle la jonction considérée devient instable par emballement thermique. Il entraîne une augmentation du courant inverse pouvant mener à la destruction du compo-sant. On trouve cette limitation de manière encore plus fréquente dans les IGBT dont la durée de vie des porteurs a été réduite. En effet, l’insertion contrôlée de centre recombinants dans la base des IGBT a pour consé-quence l’augmentation du courant inverse (surtout sa composante de

géné-P  R

 ¹

I

dI

ration thermique). Notons que le contrôle du courant inverse interfère sur le compromis tension blocable, performances en commutation.