SCR haute tension

Les SCR sont des composants très intéressants pour la protection des E/S haute tension, de par leur faible résistance à l’état passant et leur robustesse élevée [42] [43] [44]. Les trois composants que nous allons étudier présentent des similitudes (figures1.16,1.17,1.18). Ils pré- sentent deux caissons P implantés dans la couche épitaxiée P−, et trois implantations N de part et d’autres de ces caissons P . Les caissons N , flottants, sont électriquement reliés les uns aux autres par la couche enterrée. Des diffusions peu profondes P++et N++sont effectuées dans les caissons P pour réaliser les contacts.

1.6.1.1 NPNR

Le composant N P N R [45] est composé d’un N P N dont la jonction base-émetteur est dé- clenchée par une résistance externe RBE, et d’un P N P imbriqué avec le N P N (figure 1.16).

Chaque caisson P possède deux diffusions P+ et N+. Dans la configuration de la figure 1.16, le N P N a pour collecteur le caisson N central, pour base le caisson P situé du côté négatif (gauche), et pour émetteur la diffusion N+de ce caisson. Le P N P , lui, a pour collecteur la base du N P N , et pour base le collecteur du N P N . Son émetteur est constitué du caisson P relié au signal.

Le premier des deux bipolaires à se déclencher est le N P N , qui entraîne ensuite le déclenche- ment du P N P . La tension de claquage base-collecteur du N P N est bien supérieure à son Vt1.

Par conséquent, la jonction émetteur-base ne peut pas être polarisée par un courant d’avalanche, c’est la chute de potentiel s’établissant aux bornes de la forte résistance RBE qui permet à la

jonction d’atteindre sa tension de seuil. La valeur de cette résistance détermine directement la tension Vt1 de déclenchement du dispositif. RBE peut varier de 0.5 kΩ à 60 kΩ, permettant

d’obtenir des valeurs de Vt1 allant de 18 V à 30 V . Des valeurs plus élevées de la tension de

déclenchement peuvent être obtenues par la mise en série de deux ou trois de ces composants.

Le fait que sa tension de claquage soit si élevée lui procure une marge de sûreté importante en régime statique. En revanche, du fait de l’importante résistance émetteur-base, le N P N R est très sujet aux phénomènes de déclenchement par dV/dt (section1.5.2.1) : sa tension de déclen- chement peut dépendre de la pente de l’impulsion ESD. De plus, son déclenchement très lent cause l’apparition d’un large pic de surtension dans les premières nanosecondes des impulsions.

Figure 1.16 – Coupe technologique représentative d’un composant de protection N P N R (a) et schéma équivalent (b).

Enfin, il a été démontré que le N P N R était particulièrement susceptibles aux perturbations

CEM . Pour toutes ces raisons, ce composant a été mis à l’écart de la librairie.

1.6.1.2 NPNZ

Le N P N Z [46] a été conçu pour répondre aux insuffisances du N P N R. Comme on peut le voir sur la figure 1.17, sa structure est très similaire à celle du N P N R. Les caissons N latéraux ont été rapprochés des caissons P , et la résistance émetteur-base du P N P a été remplacée par un court-circuit (figure 1.17). Des diffusions P+ ont été réalisées aux bordures extérieures des caissons P

Le déclenchement est initié par le claquage par avalanche de la diode « Zener 1 » (figure 1.17). Les trous générés par avalanche traversent le caisson P et sont évacués par le contact

P+ _{de base du N P N , relié à la broche N EG. Ce courant de trous circulant dans la base per-}

Figure 1.17 – Coupe technologique représentative d’un composant de protection N P N Z (a) et schéma équivalent (b).

N P N . Le N P N se déclenche, puis un effet SCR se met en route avec le déclenchement consé-

cutif du P N P . Une deuxième diode « Zener 2 » est utilisée également lors du déclenchement du

N P N , pour dériver une partie du courant de décharge.

Contrairement au N P N R, le déclenchement par avalanche permet ici d’épargner au com- posant les principaux inconvénients liés au déclenchement par la résistance émetteur-base. La tension de repliement V_t1 est très peu dépendante de la pente et de la largeur de l’impulsion. Aussi, la jonction émetteur-base du N P N Z est moins sensible aux agressions CEM . En re- vanche, la tension de déclenchement V_t1 varie très vite avec les espacements Dz1 et Dz2, et est donc assez sensible aux erreurs d’alignement de masques. De plus, les implantations choisies pour les caissons N et P dépendent de l’orientation du composant, et la tension de déclenchement se trouve donc légèrement modifiée par l’orientation du composant.

1.6.1.3 NPNB

Le N P N B [47] [39] [48] est devenu le composant de référence dans la librairie E/S haute tension pour la protection contre les ESD. Il est composé, lui aussi, d’un N P N imbriqué avec un P N P . L’élément déclencheur est le claquage de la jonction base-collecteur du N P N , qui fournit le courant de polarisation de sa jonction émetteur-base et déclenche le N P N . Le courant fourni par le collecteur du N P N déclenche alors le P N P .

Ici, le rôle du N P N est assumé par le caisson P relié à la borne N EG, la diffusion N+ implantée dans ce caisson, et le caisson N central, qui jouent respectivement le rôle de base, émetteur et collecteur (figure 1.18). Une fois ce N P N latéral déclenché, un déclenchement en

N P N vertical vient s’ajouter au N P N latéral. Ce N P N vertical partage sa base et son émetteur

avec le latéral, mais a pour collecteur la couche enterrée (N BL). Le P N P , lui, partage sa jonction base-collecteur avec le N P N latéral, et a pour émetteur le caisson P relié au signal. Le fonctionnement et en particulier le déclenchement du N P N B sera étudié en détails dans le chapitre5.

Figure 1.18 – Coupe technologique représentative d’un composant de protection N P N B.

La tension de déclenchement du composant est contrôlée par l’espacement « Sp » entre le caisson P côté N EG et le caisson N central. Une des avancées par rapport aux composants dé- crits précédemment est le retour relativement faible du P N P sur le N P N , qui permet d’assurer une tension de maintien particulièrement élevée, et d’accroître la marge de sûreté vis-à-vis du latch-up. Par comparaison, la surtension au déclenchement du N P N B est également plus faible que celle du N P N R et du N P N Z.