El´ ´ ements d’optimisation

Rint B (a) (b) N⁺⁺ N⁺⁺ t+ e⁻ Psub G Vint B R^int_B P⁺⁺ B E(S) C(D) E(S) C(D) B ^G

Fig.2.5 – Principe de fonctionnement du transistor NPN autopolaris´e (a) et sch´ema ´electrique ´

equivalent (b).

– Le seuil de repliement du composant (V_t1, I_t1) (tension et courant de repliement)

– La tension et le courant de maintien lorsqu’il est repli´e (VH, IH) (tension et courant de maintien)

– Le point de second claquage (V_t2, I_t2) qui indique le maximum de courant que peut sup-porter le composant, au-del`a duquel il est d´etruit par les ph´enom`enes thermiques

Le fonctionnement d’un transistor PNP est tout `a fait similaire, il suffit en particulier d’´echanger le rˆole des ´electrons et des trous.

2.1.3 El´^´ ements d’optimisation

Ajustement de la tension de d´eclenchement

La caract´eristique TLP I_C(V_C) d’un composant de protection ESD doit s’ins´erer dans un gabarit de conception [59], qui assurera une protection efficace des circuits sans interaction pa-rasite avec leurs fonctionnalit´es. Aucun d´eclenchement parasite durant le fonctionnement du circuit ne doit avoir lieu. Il convient d’exclure toutes possibilit´es de d´eclenchement sur les tran-sitions de tension ou de courant et sur les fr´equences des signaux, appliqu´es sur les broches du circuit et qui correspondent `a son fonctionnement normal. Le seuil de d´eclenchement statique doit ˆetre sup´erieur aux tensions d’utilisations, comme par exemple la tension d’alimentation. Il

2.1. Composants de protection ESD bas´es sur le TBA T rig^{ext C} B Rext B E C B E (a) (b) Rint B Rint B

Fig. 2.6 – Sch´ema ´equivalent d’un TBA (a) avec circuit de d´eclenchement associ´e (b).

faut ´egalement ´eliminer les surtensions, en particulier sur les oxydes de grille des ´etages d’entr´ee. Pour respecter l’ensemble de ces contraintes, il est souvent n´ecessaire d’adjoindre un circuit de d´eclenchement au composant de protection, comme d´ecrit dans la figure 2.6. Cet ´el´ement de d´eclenchement ext´erieur (T rig^ext) permet de diminuer la tension maximale sur le collecteur tout en assurant la mise en marche du TBA `a travers la r´esistanceR<sup>ext</sup><sub>b</sub> . Sa taille est faible vis-`a-vis du TBA car il n’est actif qu’au tout d´ebut de la d´echarge, l’essentiel du courant circulera dans le TBA. Citons comme exemple de d´eclencheur une diode en inverse dont la tension de claquage est inf´erieure `aBV_CB. Cette diode peut parfois ˆetre physiquement int´egr´ee dans le transistor ce qui r´eduit l’encombrement de l’ensemble [60].

Pour diminuer la tension de d´eclenchement des TBA bas´es sur le transistor MOS, il est possible d’utiliser les propri´et´es propres au transistor MOS. Dans ce cas, on parlera de couplage de grille (ou gate coupling) qui est r´ealis´e par l’ajout d’une r´esistance entre les contacts de grille et de source du MOS (R^ext_G , Fig.2.7). Cette r´esistance permet l’´el´evation du potentiel de la

T rigext R^ext_B R^ext_G Cext G G B (a) (b) G B ^R int B Rint B C(D) E(S) C(D) E(S)

Fig. 2.7 – Sch´ema ´equivalent d’un TBA associ´e au MOS (a) avec un circuit de d´eclenchement par la base et par couplage de grille (b).

grille au d´ebut du transitoire de courant, grˆace au couplage capacitif engendr´e par la capacit´e intrins`eque grille-drain ou une capacit´e connect´ee en externe C<sub>G</sub><sup>ext</sup>. Lorsque la tension sur la grille d´epasse la tension de seuil, le transistor MOS devient passant. Le courant du transistor MOS est alors multipli´e `a la jonction drain-substrat (ou collecteur-base), ce qui va d´eclencher le transistor bipolaire, comme d´ecrit pr´ec´edemment, pour des tensions inf´erieures `a BV<sub>CB</sub>. Le composant MOS ne devra fonctionner qu’en d´ebut de d´echarge et laisser place au TBA sous peine de voir les performances ESD d´egrad´ees [63]. Pour cela, la constante de temps du couple RC, constitu´e par la capacit´e de couplage et la r´esistance associ´ee `a la grille, doit ˆetre correctement ajust´ee.

La tension de maintien

L’ajustement du seuil de d´eclenchement est une part importante de la conception des struc-tures de protection. La robustesse intrins`eque du composant repose cependant essentiellement sur la tension de maintien, qui d´etermine la puissance dissip´ee. Par ailleurs, cette tension doit ˆ

etre sup´erieure `a la tension d’alimentation du circuit `a prot´eger, pour ´eviter tout risque de d´ e-clenchement de la structure de protection lors du fonctionnement normal. On peut estimer la valeur de la tension de maintien en se basant sur une ´etude simple et unidimensionnelle [6, 59]. La figure 2.8 est une repr´esentation mˆelant la structure physique d’un transistor bipolaire NPN

IE

Rint B

(M −1)I_C^int I_C^int=βI_B^int

B C E Zone de multiplication par avalanche I_B^int Iext B IC=M I_C^int

Fig. 2.8 – Mod`ele unidimensionnel du transistor NPN autopolaris´e.

et son sch´ema ´electrique. Deux diff´erences majeures apparaissent par rapport au fonctionnement

«classique»du composant :

– la zone de multiplication par avalanche `a la jonction collecteur-base – la r´esistance interne de base

qui permettent en particulier l’autopolarisation du composant. Le courant de collecteur associ´e `

a l’effet bipolaire est donn´e par la relation classique :

I_C^int=βI_B^int (2.1) avec β le gain en courant du transistor bipolaire. Ce courant d’´electrons est multipli´e dans la zone d’avalanche pour donner le courant qui traverse effectivement le contact de collecteur IC =M I_C^int, avecM le facteur de multiplication du courant, qui d´epend de la tension appliqu´ee `

a cette zone et de la tension de claquage de la jonction collecteur-base. La multiplication du courant de collecteur donne naissance `a un courant de trous ´egal `a (M −1)I_C^int, qui se repartit entre le courant de base du transistor I_B^int et le courant I_B^ext, sortant du contact de base, qui polarise la base«interne»au travers de la r´esistanceR^int_B . On a donc :

2.1. Composants de protection ESD bas´es sur le TBA Le courantI_B^extdevient vite n´egligeable par rapport `aI_B^intlorsque le courant augmente. En effet, ces deux courants sont li´es par la relation :

I_B^int=I_S exp R^int_B I_B^ext u_T −1 (2.3) qui est issue de l’expression classique du courant due aux trous dans une jonction N⁺P en direct [64], avec I_S le courant de saturation des trous `a la jonction ´emetteur-base. Plus la r´esistance intrins`eque de baseR^int_B est grande, plusI_B^extest n´egligeable devantI_B^int. En pratique, R^int_B ¹ a toujours une valeur relativement importante. Dans le cas contraire, on n’obtiendrait le d´eclenchement du transistor bipolaire que pour de fortes valeurs du courant I_t1, ce qui r´eduirait les performances de la structure car l’´echauffement de la jonction collecteur-base, polaris´ee en inverse, serait trop important.

De plus, la relation 2.3 montre que le courant de base interne croˆıt tr`es vite lorsque le courant externe augmente, ce qui implique la rapide pr´epond´erance du courant interne sur le courant externe pour des densit´es de courant croissantes dans la structure. Le comportement du composant tend donc vers un fonctionnement ´equivalent `a un transistor en base ouverte. Le calcul de la tension de maintien est donc identique `a celui de la tension de claquage ´ emetteur-collecteur avec la base ouverte (BV_CEO), pour un transistor bipolaire classique [65, 66]. Ainsi, en n´egligeant Iext

B dans la relation 2.2 et en consid´erant l’´equation 2.1, on d´eduit l’expression r´egissant la tension de maintien :

(M −1)β= 1 (2.4)

En utilisant la formule empirique de Miller [67] pour l’expression du facteur de multiplication :

M = ¹ 1− V BV m (2.5)

avec (2< m <6) en fonction du type de jonction,BV la tension de claquage de la jonction et V la tension appliqu´ee. Si on n´eglige les chutes de tension `a la jonction ´emetteur-base et dans les r´esistances de collecteur et d’´emetteur, on obtient la valeur de la tension de maintien :

V_H = ^BVCB

(1 +β)1/m (2.6)

avecBVCB la tension de claquage de la jonction collecteur-base. La tension de maintien apparaˆıt comme une fonction du gain du transistor : plus il sera ´elev´e, plus elle sera basse. Elle est, de plus, proportionnelle `a la tension de claquage de la jonction collecteur-base. Le concepteur de structures de protection devra donc choisir un transistor bipolaire dont la tension BVCB est proche de la tension de maintien recherch´ee (tout en restant compatible avec la tension de d´eclenchement voulue). La valeur de VH pourra ˆetre ajust´ee par le contrˆole du gain qui d´epend en particulier de la profondeur de la base, facilement ajustable pour les composants MOS et FOD.

Pour un transistor PNP autopolaris´e, l’expression de la tension de maintien s’obtient de la mˆeme fa¸con et est identique `a celle du transistor NPN. Cependant, `a l’inverse du transistor bipolaire NPN, c’est un courant de trous qui est multipli´e dans la zone d’avalanche et qui donne naissance au courant de base qui est alors un courant d’´electrons. On a donc respectivement dans le cas d’un transistor bipolaire PNP et NPN :

I_n= (M_p−1)I_p et I_p = (M_n−1)I_n (2.7)

1Remarquons qu’une r´esistance de base externe, ajout´ee pour relier base et ´emetteur, joue le mˆeme rˆole

que la r´esistance interne. Sa valeur vient simplement s’ajouter `a la valeur de cette derni`ere, sans modification

pour les courants inject´es dans la base, en fonction du courant entrant dans la zone d’avalanche, avecI_nun courant d’´electrons,I_p un courant de trous etM_p etM_nles facteurs de multiplication d’un courant de trous et d’un courant d’´electrons, respectivement.

Pour des transistors bipolaires NPN et PNP ´equivalents, le facteur de multiplication du courant de trous sera toujours inf´erieur `a celui du courant d’´electrons `a tensions ´egales [68, 69]. Ceci se traduit dans la formule de Miller (Equ.2.5), par une valeur du param`etre m plus grande dans le cas d’un transistor PNP. La tension de maintien est donc toujours plus grande dans ce type de transistor par rapport `a un transistor NPN ayant des param`etres physiques et g´eom´etriques ´equivalents, d’autant plus que le gain est g´en´eralement plus faible pour un transistor PNP.

L’´echauffement provoqu´e par leur tension de maintien plus importante rend les transistors