Fonctionnement dans un régime de « fort courant »

III.1

L’outil de caractérisation TLP : Dispositif électrique

Afin de visualiser et comprendre le fonctionnement du circuit sous test il est nécessaire de s’aider d’un banc TLP [15]. Le « Transmission Line Pulsing » [16] (TLP) est un générateur d’impulsions très rapides permettant de produire des ondes en courant carrées d’une durée d’environ 100 ns. Cette forme d’onde est obtenue en chargeant une ligne en transmission qui se décharge par l’actionnement d’un interrupteur se mettant en position de fermeture. Le schéma électrique du montage est reproduit sur la Figure 20 [17].

Figure 20 : Dispositif électrique expérimental simplifié du TLP.

Le câble coaxial chargé, d’impédance 50 Ω, est utilisé pour produire de courtes impulsions avec une durée proportionnelle à sa longueur. Cette charge s’effectue à travers un générateur haute tension et une résistance de 10 MΩ. Le concept de la ligne chargée est similaire au principe de charge d’un condensateur dans les modèles de simulation de décharge électrostatique. L’avantage de la ligne chargée par rapport au condensateur est l’absence d’éléments parasites du circuit R-C. Composant sous test Atténuateur V A Câble _50Ω Ligne chargée 50Ω 10 MΩ Sonde de Courant Sonde de Tension Générateur Haute Tension Relais Composant sous test Atténuateur V A Câble _50Ω Ligne chargée 50Ω 10 MΩ Sonde de Courant Sonde de Tension Générateur Haute Tension Relais

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Une fois la ligne chargée, sa décharge dans le composant sous test traverse d’abord un atténuateur puis un câble d’impédance 50 Ω. Des équipements associés, tels que : une sonde de courant, une sonde de tension, un oscilloscope haute fréquence de 6 GHz, le tout piloté par ordinateur, effectuent la mesure du courant de fuite et de la tension vus par le composant pendant l’impulsion. Aussi, ce montage permet de produire des caractéristiques I(V) pour des valeurs de tension de charge de la ligne de transmission qui sont élevées et appliquées de manière croissante. En outre, il faut noter que la tension maximale générée par le TLP est de 1 kV soit une impulsion en courant de 20 A. A la suite de chaque impulsion, le courant de fuite du composant caractérisé est mesuré afin de détecter une quelconque défaillance électrique.

III.2

Intérêt de la caractérisation à ligne de transmission

Le TLP n’est pas une méthodologie de génération d’ondes ESD mais plutôt un équipement d’analyse du comportement électrique des circuits et composants avec des impulsions de courte durée et de fort courant [18]. Par conséquent, les ondes délivrées en TLP sont typiques des phénomènes ESD [19,20]. La méthodologie TLP sert ainsi d’indicateur de robustesse ESD pour des composants élémentaires isolés puis des circuits intégrés [21]. A partir de la réponse à ces impulsions, les concepteurs de circuits parviennent à construire des modèles électriques des circuits électroniques soumis à des décharges électrostatiques.

L’avantage du TLP est qu’il permet de mesurer aussi bien le courant que la tension aux bornes du composant durant l’impulsion avec un critère de dégradation très fiable. En effet, ce critère peut correspondre à une variation du courant de fuite pour différents niveaux de tensions prédéfinis ou une variation de la caractéristique statique initiale du composant que nous étudierons dans le paragraphe traitant la réponse électrique du composant. Cette automatisation de la détection de la défaillance s’effectue à travers une marge d’erreur initialement spécifiée par l’utilisateur.

L’objectif des caractérisations TLP que nous réaliserons sur la diode de protection sera donc de déterminer une caractéristique intrinsèque à la diode de protection pour de forts niveaux de courant afin d’en extraire la résistance interne encore appelée résistance série RS. L’extraction de

cette valeur de résistance dans l’évaluation de la robustesse sert d’indicateur dans la capacité de la diode à protéger un circuit intégré tout en visant une optimisation des paramètres de dessin.

Chapitre II : Etude de la diode de Protection ESD

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III.3

Comportement de la diode : Principe de mesure d’une

caractéristique TLP

A partir des données de réponse en courant et tension fournies par les sondes respectives aux bornes du composant sous test, nous décrivons une caractéristique électrique du courant en fonction de la tension. En effet, pour chaque impulsion TLP, nous obtenons un point de cette caractéristique. Les graphes de la Figure 21 représentent les réponses en courant et en tension d’une diode de protection bidirectionnelle soumise à une étude TLP à une tension de charge de 700 V.

Figure 21: Mesure du courant et de la tension de l'onde TLP aux bornes du composant caractérisé.

La tension du générateur est incrémentée de manière à parcourir un intervalle de tension appliqué à la diode. Ainsi, pour un balayage de tension du générateur de 10 V à 990 V, nous obtenons la caractéristique électrique TLP de la Figure 22.

La caractéristique courant-tension TLP est obtenue pour de forts courants limités à 20 A grâce à une tension de charge TLP de 1 kV. Dès lors, nous observons la caractéristique typique de la diode en polarisation inverse. En effet, la diode est en mode bloqué jusqu’à une tension de seuil quasiment équivalente à celle de la tension de claquage déterminée durant la caractérisation en mode statique.

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Figure 22: Caractéristique électrique TLP typique d’une diode de protection bidirectionnelle. Mesure de la résistance interne dans un régime de fort courant.

Dans le chapitre I, nous avions montré que la protection est efficace dans son mode de conduction. Ainsi, au-delà de 16 V, la diode est en mode conduction et parvient à évacuer la décharge électrostatique.

III.4

Caractérisation TLP des diodes bidirectionnelles

La caractéristique TLP nous permet d’extraire, dans les régimes de fort courant, la résistance interne que nous appelons aussi résistance série RS de la diode de protection. Cette résistance

série correspond à l’inverse de la pente de la caractéristique courant-tension en TLP dans l’avalanche. La représentation de la Figure 23 illustre la caractéristique TLP d’une diode bidirectionnelle à géométrie rectangulaire latérale.

Cependant, en caractérisant les composants avec des impulsions, similaires aux forts courants d’une ESD, une différence dans la résistance interne transcrit la variation du comportement des structures en fonction de leur géométrie. En effet, les caractérisations TLP en polarisation inverse de la diode bidirectionnelle rectangulaire latérale montrent sur la Figure 23 que les résistances séries des diodes varient selon l’éloignement des jonctions. Aussi pour des diodes possédant des profondeurs de jonction différentes, l’écart entre les résistances mesurées, RS, devient notable. En

effet, de RS = 0,9 Ω pour une distance D = 45 µm, nous évaluons une résistance série de 1,2 Ω

Chapitre II : Etude de la diode de Protection ESD

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Figure 23: Mesure TLP de la diode bidirectionnelle « rectangulaire latérale » pour des distances D variant de 45 µm à 135 µm avec un pas de 10 µm. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 15 20 25 30 35 40 C o u ra n t T L P I TLP [A ] Tension TLP VTLP[V] 45µm 55µm 65µm 75µm 85µm 95µm 105µm 115µm 125µm 135µm 45 µm 135 µm Diode Rectangulaire Latérale

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