Les premiers eorts d'intégration se sont basés sur le schéma de la gure I.15: l'idée
est de s'inscrire dans la logique de l'intégration monolithique bas coût, en utilisant le
pro-cédé de fabrication du transistor principal et en limitant donc les étapes supplémentaires
(techniques d'isolation, niveaux de dopages diérents, etc...), nécessaires à l'intégration de
l'environnement électronique au sein du transistor de puissance. La première proposition
d'intégration part donc de la constatation que les deux transistors de type Mosfet ont la
Figure I.20 Simulation sous Simplorer de la commutation à l'ouverture d'un transistor
de puissance sans autoalimentation (Plot a) à gauche) et avec autoalimentation (Plot b) à
droite)
même tenue en tension et qu'il sut de dériver quelques cellules du transistor de puissance
pour réaliser le transistor auxiliaire (gureI.21). Un soin particulier doit être apporté pour
la séparation entre les deux sources des transistors Mosfet, an de garantir un plein
épa-nouissement des lignes de champ à la jonction des deux fonctions [75], [73] et surtout [76].
Ceci fut le point de départ des travaux de cette thèse, s'appuyant notamment sur l'analyse
de la gureI.21.
Figure I.21 Intégration monolithique de tous les composants pour l'autoalimentation,
au sein de transistor de puissance de type VDDMOS
Le but est donc ici d'intégrer tous les éléments nécessaires à l'autoalimentation, sans
changement des étapes de fabrication du transistor de puissance. Pour la diode à avalanche
DZ (voir aussi la gureI.15). On peut remarquer que son anode est connectée à la source
du transistor de puissance principal, on peut donc intégrer cet élément à l'intérieur d'un
caisson P de source principale. De la même façon, pour la diode de blockageDBon constate
que son anode est connectée à la source du transistor auxiliaire et qu'on peut donc
l'inté-grer au sein de caisson P de source auxiliaire. Pour l'élément nécessaire à la polarisation
statique de l'autoalimentation, la diode DBias voit sa cathode reliée au drain commun et
son anode peut donc être réalisée simplement par un caisson P à l'intérieur de la zone de
tenue en tensionNν. Les caractéristiques de cette intégration monolithique ont été
démon-trées dans [95] et seront brièvement rappellées ici.
Deux caractéristiques essentielles doivent être étudiées sur l'intégration proposée gure
I.21:
La compatibilité de la fonction intégrée avec le procédé de fabrication du transistor
principal ; est-ce que les niveaux de dopages, profondeurs de jonction, types
d'im-plantations sont compatibles avec les besoins de la fonction ?
L'inuence de la partie haute tension sur les fonctions intégrées ; dans quelle mesure
la présence d'un drain commun haute tension perturbe le fonctionnement des
fonc-tions intégrées ?
Concernant l'inuence de la partie haute tension sur les fonctions intégrées, on peut
voir que les deux diodes DZ etDB deviennent en fait des transistors bipolaires NPN sous
l'eet de la présence de la zone de tenue en tension Nν. Le drain commun représente le
collecteur pour ces deux jonctions, que l'on peut assimiler à des diodes latérales isolées
par l'intermédiaire d'une jonctionNν−P−. Cette première remarque modie le schéma de
l'autoalimentation dans sa version intégrée : la gureI.22- a) présente cette modication.
Figure I.22 Modications de la structure de l'autoalimentation, prenant en compte les
contraintes de l'intégration monolithique
Considérons tout d'abord la diode à avalancheDZ dans sa version intégrée (transistor
NPN vertical) : la base du transistor TZ (anode de DZ) est toujours reliée au potentiel
de source du transistor de puissance principal. Ceci a pour conséquence que ce transistor
bipolaire ne devrait pas rentrer en fonctionnement classique, que ce soit lors de phases
statiques ou même sous de larges dynamiques. De plus, son émetteur (cathode de DZ) est
toujours relié à un potentiel supérieur au potentiel de base, lorsqu'une tension est
appli-quée au drain commun. Cela devrait garantir que ce transistor bipolaire peut supporter la
même tension que la partie Haute Tension du transistor de puissance principal. Il n'y a
donc aucune contre-indication pour l'intégration monolithique de la diode à avalanche.
A propos de la version intégrée de la diode de blocage DB, les considérations faites
ci-dessus ne peuvent s'appliquer : la version intégrée sous cette forme ne pourra pas
sup-Figure I.23 Modication de l'intégration de la diode de blocageDB an de garantir un
fonctionnement sans limitation fonctionnelle
Il n'y a aucune contrainte technologique relative à l'intégration monolithique d'un
tran-sistor faible tension LDDMOS au sein d'un trantran-sistor de puissance vertical au regard de
[39], [109], [60], [61] ou encore [77]. Les seules limitations de ce circuit sont la chute de
tension à l'état passant entre le drain et la source du transistor LDDMOS intégré, ce qui
réduit la tension d'alimentation ottante aux bornes de la capacité de stockage CS, ainsi
l'eet de substrat qui peut être important [39]. Dans cette solution, la jonction d'avalanche
DZ reste réalisée de la même manière que précedemment, car il n'y a aucune contre
indi-cation à son intégration en tant que transistor NPN vertical. Bien que cette solution soit
fonctionnelle et parfaitement intégrable, les travaux de recherche et d'analyse autour de
cette structure d'autoalimentation intégrée nous ont conduit à une autre version, beaucoup
plus simple et encore plus intégrée (gure I.22- c) et I.24).
Une seconde solution de l'autoalimentation tout intégrée a donc été élaborée, basée
seulement sur des transistors bipolaires verticaux (guresI.22c) et I.24). En analysant les
solutions précédentes, nous avons en eet identié que le transistor auxiliaire MOSFET
ainsi que la diode de polarisation statique DBias peuvent être remplacés par un seul
tran-sistor bipolaire verticalTB. Ce transistor assure naturellement la protection de la décharge
de la capacité de stockage lorsque le transistor principal est à l'état ON, et peut tenir la
pleine tension du transistor principal de puissance. Cette tenue en tension est assurée par
sa jonction Base - Emetteur polarisée négativement lorsque la capacité CS est rechargée.
De plus, on peut utiliser la jonction Collecteur - Base de ce transistor TB an d'assurer
Figure I.24 Seconde modication de l'intégration de la diode de blocage DB an de
garantir un fonctionnement sans limitation fonctionnelle
la polarisation statique de la branche auxiliaire de l'autoalimentation. On voit donc que
la diode DBias n'est plus nécessaire dans cette version de l'autoalimentation au sein de
transistors MOSFET verticaux de puissance.
Cette partie nous a montré comment les considérations de l'intégration monolithique
nous ont amené à modier la structure du circuit d'autoalimentation de la commande
rapprochée au sein de transistor de puissance. La prise en compte de la compatibilité
tech-nologique, des possibilités d'auto-isolation, ainsi que le respect de la logique bas coût, nous
a conduit à proposer cette structure gures I.22c) etI.24, qui n'est ni plus ni moins qu'un
Darlington de puissance dont l'entrée du premier étage serait connectée au potentiel de
référence. L'identication de cette nouvelle structure intégrée a donné lieu à l'encadrement
de H. Tran Manh sur un stage de M2R [52], et la partie suivante présente quelques résultats
obtenus autour de cette structure et de ses évolutions dans la problématique du transistor
de puissance VDDMOS puis IGBT.
Dans le document
Intégration monolithique des fonctions d'interface au sein de composants de puissance à structure verticale
(Page 53-57)