cependant qu’ils pr´esentent de bonnes caract´eristiques dans des technologies plus avanc´ees [70]. L’approche qui vient d’ˆetre pr´esent´ee montre l’essentiel des outils th´eoriques utilis´es `a l’heure actuelle pour la conception des TBA. Son d´efaut majeur est de laisser de cˆot´e les effets des fortes densit´es de courant pr´esentes dans ces composants lors des d´echarges ´electrostatiques. Certains aspects des fortes densit´es de courant plus particuli`erement centr´es sur les diodes et les r´esistances diffus´ees, sont trait´es par G. Bosselli [71]. Nous proposons ici une ´etude plus sp´ecifique, ax´ee sur les TBA.
2.2 Effets des fortes densit´es de courant dans les transistors
bipolaires
Les d´echarges ´electrostatiques sont des transitoires de courant de forte intensit´e, de l’ordre de quelques amp`eres pour les mod`eles HBM et MM et jusqu’`a quelques dizaines d’amp`ere pour le CDM. La taille des protections ESD dans lesquelles transitent ces courants est extrˆ eme-ment r´eduite compar´ee `a celle de composants utilis´es en ´electronique de puissance. ´Evidemment, l’´energie dissip´ee dans un composant de puissance, pendant quelques heures d’utilisation, est de plusieurs ordres de grandeur sup´erieure `a celle dissip´ee lors d’une d´echarge ´electrostatique dont la dur´ee est extrˆemement courte, de l’ordre de la centaine de nanoseconde. Il n’en reste pas moins que les densit´es de courants rencontr´ees dans un transistor de protection, jusqu’`a quelques 106 A/cm2 sont gigantesques vis-`a-vis de celle des composants de puissance qui sont de l’ordre de 200A/cm2. Les composants pour l’´electronique haute fr´equence fonctionnent `a de tr`es fortes densit´es de courants, mais les technologies employ´ees mettent en jeu des dopages de valeur ´elev´ee qui retardent les effets des fortes densit´es de courant `a des niveaux de quelques 105 A/cm2 [72]. La connaissance des ph´enom`enes sp´ecifiques aux fortes densit´es de courant dans ces deux do-maines, l’´electronique de puissance et haute fr´equence, facilite l’acc`es `a la compr´ehension du comportement des dispositifs de protection contre les ESD.
2.2.1 Chute du gain en courant
La chute du gain des transistors bipolaires `a forte densit´e de courant est un ph´enom`ene tr`es connu en micro´electronique et n’est pas sp´ecifique `a un domaine d’application particulier. C’est un des principaux param`etres qui conditionne le dimensionnement des composants dans les ´etages d’amplification de puissance basse fr´equence. La chute du gain correspond `a l’entr´ee dans un r´egime de forte injection, o`u la densit´e des porteurs minoritaires dans la base n’est plus n´egligeable par rapport `a son dopage. Le gain d´ecroˆıt alors comme l’inverse du courant. Ce ph´enom`ene est couramment trait´e dans les ouvrages g´en´eralistes portant sur la physique de composants actifs de la micro´electronique [64, 73, 74].
2.2. Effets des fortes densit´es de courant dans les transistors bipolaires
2.2.2 Limitation de l’aire de s´ecurit´e d’utilisation, dans les transistors
bipo-laires pour l’´electronique de puissance
Longtemps utilis´e comme composant semi-conducteur permettant la commutation de puis-sance, le transistor bipolaire se voit aujourd’hui remplac´e par les transistors MOS, les IGBT et les thyristors GTO. Les ´etudes approfondies le concernant ont ´et´e principalement r´ealis´ees avant les ann´ees 1980. De ces avanc´ees aujourd’hui un peu oubli´ees, on apprend beaucoup sur le comportement du transistor bipolaire en particulier dans ses r´egimes limites de fonctionnement. Ph´enom`ene de second claquage thermique
Hormis les limitations classiques, telle l’hyperbole de dissipation qui garantit des temp´ era-tures assurant le bon fonctionnement du composant et sa fiabilit´e `a long terme, deux m´ecanismes d’instabilit´e limitant le domaine d’utilisation du composant peuvent ˆetre distingu´es : l’un pure-ment thermique, l’autre de nature purepure-ment ´electrique. Ces deux m´ecanismes conduisent `a la destruction du composant par la focalisation (ou filamentation) du courant [75, 76]. En effet, lorsque la temp´erature s’´el`eve localement dans le composant au point que la concentration in-trins`eque de porteurs d´epasse celle des porteurs inject´es, et se substitue `a celle de ces derniers pour assurer le passage du courant, on assiste `a une chute brutale de la tension aux bornes du dispositif et `a la concentration du courant dans une zone extrˆemement localis´ee. Ce processus est appel´e second claquage thermique, bien que le qualificatif second n’ait pas aujourd’hui de r´eels fondements, autres qu’historiques [77]. L’emballement thermique associ´e conduit `a la fusion locale du silicium et `a la destruction du composant.
Instabilit´e d’origine thermique
Si l’issue des deux types d’instabilit´e est le claquage thermique, leur origine est fondamenta-lement diff´erente. L’instabilit´e de type thermique provient de la non-uniformit´e de la distribution de temp´erature dans le composant. Le gain d’un transistor ´etant une fonction croissante de la temp´erature, le courant tend `a se localiser dans les zones de plus haute temp´erature [78]. L’aug-mentation locale de la densit´e de courant va encore ´echauffer cette zone et confiner d’autant plus le courant, ce qui `a terme conduit au processus de second claquage thermique. La solution de ce probl`eme consiste principalement `a disposer un dissipateur thermique sur le composant, en prenant particuli`erement soin `a l’uniformit´e de l’´evacuation de la chaleur permettant d’´eviter les d´es´equilibres de temp´erature. La r´ealisation de r´esistance de ballast d’´emetteur est ´egalement utilis´e pour contrˆoler ce ph´enom`ene.
Instabilit´e d’origine ´electrique
Le second type d’instabilit´e est associ´e aux fortes densit´es de courant dans le composant. La densit´e des porteurs mobiles dans la zone de charge d’espace de la jonction collecteur-base modifie la r´epartition du champ ´electrique et la tenue en tension. En effet, au-del`a de densit´es de courant critiques, la densit´e des porteurs libres qui assurent le passage du courant dans la zone d´epeupl´ee de la jonction collecteur-base, n’est plus n´egligeable face `a celle des impuret´es ionis´ees. La densit´e de charges ´electriques d´epend non seulement de celle port´ee par les dopants, mais aussi des charges associ´ees aux porteurs libres. La r´epartition du champ ´electrique est donc modifi´ee, ainsi que la tension de claquage de la jonction [79]. Sous de tr`es fortes densit´es de courant, le maximum du champ ´electrique peut ˆetre d´eplac´e contre la couche fortement dop´ee de collecteur (Fig.2.9), menant `a la d´efinition d’une jonction d´elocalis´ee dont les caract´eristiques sont tr`es diff´erentes de la jonction m´etallurgique collecteur-base. La tenue en tension du transistor est alors faible car la tension de claquage de la jonction d´elocalis´ee diminue rapidement lorsque la densit´e de courant augmente, ce qui limite le domaine d’utilisation du composant. Ce ph´enom`ene a ´et´e d´ecrit pour la premi`ere fois en 1966 dans [80] o`u il a ´et´e d´enomm´e second claquage ´electrique, car il est
associ´e, comme dans le cas du second claquage thermique, `a une brutale diminution de la tension associ´ee `a l’apparition de la multiplication par avalanche. Une ´etude plus approfondie a ´et´e men´ee dans [81], mettant en avant le lien entre les caract´eristiques ´electriques et les param`etres physiques et structurels du transistor.
jonction
m´etallurgique d´jonctionelocalis´ee
N++ P (a) C B E N++ P (b) E B C N− N− Champ E Champ E N++ N++ Wbef f Wbef f
Fig. 2.9 – Profil de dopage typique dans un transistor bipolaire NPN, superpos´e au profil de champ ´electrique, avant apparition de l’effet Kirk ou de second claquage ´electrique (a) et apr`es leur apparition (b).
2.2.3 Effet Kirk, dans les transistors bipolaires pour l’´electronique haute fr´
e-quence
D´ecouvert en 1962, bien avant le second claquage ´electrique, l’effet Kirk repose lui aussi sur la prise en compte de la charge ´electrique des porteurs qui assurent le passage du courant dans la charge d’espace de la jonction collecteur-base d’un transistor bipolaire (qui est polaris´ee en inverse dans la plupart des applications). La premi`ere ´etude sur le second claquage ´electrique se base d’ailleurs sur les r´esultats pr´esent´es par Kirk [82]. Comme dans le cas du second claquage ´
electrique pr´esent´e au paragraphe pr´ec´edent, l’effet de la charge ´electrique des porteurs, non n´egligeable `a forte densit´e de courant, induit le d´eplacement du maximum de champ ´electrique de la jonction m´etallurgique collecteur-base `a une jonction d´elocalis´ee situ´ee `a la transition du collecteur faiblement et fortement dop´e. Dans le mˆeme temps, la profondeur effective de la base du transistor (Fig.2.9) se voit augment´ee, entraˆınant l’augmentation du temps de transit dans celle-ci et la chute de la fr´equence de transition du transistor.
2.2.4 Cas des TBA
Les deux ph´enom`enes, effet Kirk et second claquage ´electrique, reposent sur le mˆeme effet dˆu aux porteurs libres dans la zone de charge d’espace de la jonction collecteur-base. Leur diff´erence ne repose que sur les cons´equences de cet effet : l’´elargissement de la base qui entraˆıne la chute de la fr´equence de transition dans le cas de l’effet Kirk, la diminution de la tension maximale supportable `a la jonction collecteur base pour le second claquage ´electrique. Toutes deux d´efinissent des limites d’utilisation du transistor bipolaire dans ces domaines.
Nous allons voir que le r´egime de fonctionnement des TBA utilis´es en ESD se situe au-del`a de ces limites. En effet, l’´elargissement de la base et la modulation de la tension de claquage de la jonction collecteur-base par les fortes densit´es de courant se trouvent associ´es au ph´enom`ene de multiplication par avalanche indispensable `a l’autopolarisation de ces composants.