Structures PNPN

Une structure PNPN correspond à un transistor NPN et un transistor PNP imbriqués de telle sorte que le collecteur du NPN soit la base du PNP et le collecteur du PNP soit la base du NPN (Figure 27). Dans cette configuration, le courant de collecteur du transistor NPN est vu par le transistor PNP comme un courant de polarisation.

40 Chapitre1-Problématique et état de l’art

V>0 V>0

Figure 27: Schéma électrique équivalent d'une structure PNPN.

Principe de fonctionnement

La caractéristique électrique d’une structure PNPN est similaire à celle d’un transistor bipolaire autopolarisé. Elle montre un état bloqué et un état passant avec un repliement en tension lors du déclenchement. A l’état bloqué, la tension est soutenue à la jonction base-collecteur en inverse commune aux deux transistors. Lorsque la tension de claquage de cette jonction est atteinte, le courant généré polarise les deux transistors NPN et PNP, suivant le même principe que pour un transistor bipolaire autopolarisé. Toutefois, le repliement n’est pas dû seulement à la participation à l’avalanche des courants d’émetteur, mais aussi à la contribution réciproque aux courants de polarisation entre les transistors. Deux types de fonctionnement devront être différenciés suivant la valeur de la somme des gains en base commune αNPN et αPNP (ou du produit des gains en base commune βNPN et βPNP) [38]. Si αNPN+αPNP<1 (ou βNPNβPNP<1), la contribution réciproque aux courants de polarisation n’est pas suffisante pour maintenir la structure à l’état passant sans l’apport d’un courant d’avalanche. La tension de maintien est alors fixée par le champ électrique nécessaire à la génération de ce courant d’avalanche. Dans ce cas, on parle de deux transistors, NPN et PNP, couplés. Si αNPN+αPNP>1 (ou βNPNβPNP>1), l’état passant nécessite uniquement la contribution réciproque aux courants de polarisation. Le champ électrique à la jonction en inverse s’annule, conduisant à une tension de maintien très faible, de l’ordre du Volt, égale au potentiel des deux jonctions émetteur-base en direct. Dans ce cas, le fonctionnement est identique à celui d’un thyristor.

Transistors bipolaires NPN et PNP couplés

Une tension de maintien identique à celle d’un transistor seul peut être préservée, en particulier sa valeur reste compatible avec les protections "hautes tensions" [39] [40]. D’une part, cette structure est mise à profit pour améliorer la robustesse d’un transistor NPN vertical, en lui couplant un transistor PNP latéral (Figure 28) [39]. Le dédoublement des chemins de courant conduit à deux points chauds de températures inférieures à celle du point chaud d’un transistor seul. De plus, le courant du PNP s’oppose à la focalisation du courant du NPN, ce qui permet d’obtenir une très bonne uniformité de la conduction. Enfin, le couplage peut être optimisé pour obtenir de très faibles résistances à l’état passant RON [40]. Ces stratégies sont particulièrement intéressantes pour la protection des E/S "hautes tensions". Cependant, elles sont brevetées par des compagnies concurrentes de Freescale [41] [42] (respectivement Infineon et AMI Semiconductor).

1.4-Etat de l’art des protections ESD "hautes tensions" en technologies SmartPower 41

N

Cathode Anode

N

P

N

P

P

N

P

N

Figure 28: Coupe technologique simplifiée d'un transistor NPN vertical couplé à un transistor PNP latéral.

Thyristors

Malgré la tension de maintien de l’ordre d’un Volt, les structures PNPN fonctionnant en thyristor peuvent être utilisées comme protections des E/S "hautes tensions". Pour y parvenir, des stratégies doivent être mises en œuvre afin d’éviter le latch-up de la protection lorsque le produit est en fonctionnement. Les deux principales méthodes publiées reposent, pour l’une, sur un circuit forçant la structure à l’état bloqué si l’application est alimentée [43], et, pour l’autre, sur la mise à profit de la limitation en courant de l’alimentation [43] [44].

Pour garantir qu’une structure PNPN montée entre un plot d’E/S et le bus de masse V_SS ne parte pas en latch-up, la stratégie consiste à connecter la base du transistor PNP au bus d’alimentation VDD

(Figure 29). En fonctionnement normal, la tension sur l’E/S est inférieure à la tension d’alimentation V_DD, de sorte que la jonction émetteur-base du transistor PNP est polarisée en inverse. Dans cette configuration, même si une perturbation transitoire entraîne une élévation de tension sur l’E/S suffisante pour déclencher le thyristor, celui-ci se coupe dès que la tension redevient inférieure à VDD. Ainsi, la protection ne peut pas être polarisée à l’état passant en continu par l’alimentation. Lors d’un test ESD entre l’E/S et le bus V_SS, le bus V_DD sera flottant, ce qui permet le repliement du thyristor. Compte tenu de la très faible tension de maintien, il est aisé d’obtenir une robustesse élevée et un faible RON (1.2.3.2). Cette structure présente également d’autres avantages. La tension de déclenchement Vt1 peut être ajustée à l’aide de la résistance R1, en particulier à des valeurs inférieures à la tension de claquage de la jonction en inverse. La stratégie de protection est indépendante de la tension d’alimentation, et donc facilement transposable entre différentes applications ou différentes technologies. Le brevet de cette protection [45] est détenu par Sarnoff Corporation.

E/S VSS VDD R1 R2 E/S VSS VDD R1 R2

42 Chapitre1-Problématique et état de l’art

Si le courant après repliement ne peut pas être fourni par l’alimentation, il n’y a aucun risque de latch-up, même si la tension est inférieure à la tension d’alimentation. Cette considération permet d’agrandir la fenêtre de conception en incluant une nouvelle région à basse tension et fort courant (Figure 30(a)). Pour en tirer parti, une stratégie consiste à adjoindre à la structure PNPN un composant externe qui assurera la conduction à bas courant avant de passer le relais au thyristor. Ce composant est placé en parallèle avec le transistor NPN et est relié à l’émetteur du transistor PNP via une résistance externe RExt (Figure 30(b)). Ce circuit comprend un second chemin de décharge, qui sera activé en premier si le composant externe se déclenche avant le thyristor. Ensuite, la chute de potentiel à travers la résistance RExt permettra de polariser en direct la jonction émetteur-base du transistor PNP et ainsi déclencher le thyristor. En contrôlant la valeur de cette résistance RExt, le courant après repliement du thyristor peut être ajusté au-dessus du maximum que peut débiter l’alimentation. Des protections utilisant un PMOS [43] ou un ggNMOS (gate-grounded NMOS) [44] comme composant externe ont été publiées. Le PMOS semble être mieux adapté aux protections "hautes tensions", car il peut être déclenché sans repliement à des tensions élevées, contrairement au ggNMOS qui se replie à des tensions faibles. Enfin, il faut souligner que l’opportunité de cette stratégie de protection dépend du type d’application visée. Notamment, elle n’est pas applicable en automobile, où l’alimentation provient de la batterie, capable de fournir des pics de courant d’intensités bien supérieures à celles des ESD.