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b-iii Vers une intégration monolithique totale de l'autoalimen-

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.

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