Synthèse des modifications du champ électrique de la ZCE base-collecteur

Les coefficients d’ionisation par impact et les vitesses de saturation sont les deux paramètres dont les variations avec la température influencent le plus le champ électrique. Les effets résultants sont représentés sur la Figure 61. La diminution des coefficients d’ionisation induit une augmentation du champ électrique maximum, désavantageuse pour le RON, et d’autant plus que, pour en limiter l’effet, il n’existe pas de stratégie compatible avec les exigences industrielles. Par contre, la diminution des vitesses de saturation amplifie la modulation de la charge de la ZCE. Cet effet est bénéfique pour le RON, si le profil de dopage base-collecteur a été choisi judicieusement. Néanmoins, dans la plupart des protections usuelles, l’augmentation du maximum du champ électrique est prépondérante et le R_ON se dégrade avec la température.

2.8-Conclusion 85 Champ électrique Base Collecteur Avec Température Sans Température Porteurs Injectés par l’Émetteur

Jonction métallurgique Jonction effective

Champ électrique Base Collecteur Avec Température Sans Température Porteurs Injectés par l’Émetteur Porteurs Injectés par l’Émetteur

Jonction métallurgique Jonction effective

Figure 61: Modification du champ électrique dans la ZCE base-collecteur sous l'effet de la température.

2.8. Conclusion

Les mécanismes physiques dans un transistor bipolaire autopolarisé ont été décrits, dans l’optique du développement de protections "hautes tensions", à fenêtres de conception étroites. Tout d’abord, les spécificités du mode autopolarisé ont été étudiées. Les résultats les plus pertinents sont, d’une part, la possibilité de s’affranchir du repliement en laissant la base flottante, et d’autre part, la tension de maintien intrinsèquement plus élevée pour un transistor PNP que pour un transistor NPN. Ensuite, le fonctionnement en forte injection a été décrit en prenant en compte la chute du gain (ou du rapport d’injection) et la modulation de la ZCE base-collecteur. Pour affiner cette description, une étude analytique a été menée sur l’effet bipolaire aux densités de courant générées par les ESD, ce qui a permis de mettre en évidence pour la première fois certains effets de la très forte injection. En particulier, le rapport d’injection tend vers une limite égale au rapport des mobilités dans la base pour un transistor NPN et au rapport des vitesses de saturation pour un transistor PNP. Cette différence est due au fait que, dans un transistor NPN, le courant de dérive devient prépondérant par rapport au courant de diffusion, alors que, dans un transistor PNP, une contribution significative du courant de diffusion est indispensable. Par ailleurs, le calcul de la concentration de charge induite par le courant a permis d’évaluer la modulation de la ZCE. Dans un transistor NPN, cette concentration de charge croit continûment avec le courant, et la ZCE se rétrécit. Par contre, dans un transistor PNP, une diminution de la concentration de charge peut survenir, entraînant un élargissement de la ZCE. Les conséquences sur la tension avaient déjà été prédites lors de précédents travaux [65], mais l’explication physique n’avait pas été donnée. Cette étude de l’effet en fort courant a permis de définir des stratégies d’optimisation et des règles de dessin. Enfin, les modifications induites par l’élévation de température ont été présentées. Pour éviter l’influence de ces effets sur le RON, il est essentiel d’optimiser le profil de dopage base-collecteur. Cette optimisation a pour conséquence de privilégier des protections à base de composants à claquage élevé, plutôt que de mettre en série un grand nombre de composants à claquage faible.

Suivant le cas d’un transistor NPN ou PNP, les propriétés sont très différentes, aussi bien pour les niveaux de tensions de fonctionnement que le RON. Il est facile d’atteindre un fonctionnement à "haute tension" avec un PNP, alors que c’est le défi principal pour les transistors NPN. En revanche, l’optimisation du RON d’un transistor PNP résulte d’un difficile compromis entre les effets négatifs de la diminution du rapport d’injection et de l’élargissement de la ZCE. Un transistor NPN offre plus de

86 Chapitre2-Etude théorique du comportement des transistors bipolaires autopolarisés

liberté pour régler le R_ON, et un tel compromis n’a pas de raison d’être. Ainsi, les deux types de bipolaires requièrent des stratégies d’optimisation très différentes. Par la suite, ils seront traités séparément, dans des chapitres dédiés.

87

Chapitre3 Développement de protections

ESD à base de transistors

bipolaires PNP

3.1. Introduction

Ce chapitre traite du développement de protections ESD à base de transistors bipolaires PNP autopolarisés. Les concepts pour l’optimisation de ces protections seront définis à partir de simulations électrothermiques, puis ils seront validés par des mesures sur silicium. En préliminaire, les problématiques liées à la simulation des protections ESD seront abordées. Ensuite, une première stratégie pour développer des protections ESD sera présentée. Elle consiste à réduire le R_ON de transistors bipolaires PNP latéraux. D’après l’étude du chapitre 2, les transistors PNP présentent des caractéristiques intéressantes pour la protection des E/S "hautes tensions", en particulier il est aisé d’obtenir une tension de fonctionnement élevée. Leur principal point faible est dû à des propriétés en termes de RON moins favorables que celles des transistors NPN. Des règles de dessin portant sur les configurations d’émetteur et de collecteur viendront compléter celles définies au chapitre 2, et des résultats de mesure sur des structures ainsi optimisées permettront de préciser les performances atteignables. La seconde stratégie présentée ne sera plus basée sur l’optimisation du transistor PNP seul, mais consistera à augmenter l’injection grâce à la contribution d’une diode à avalanche au courant de polarisation. Après avoir décrit le fonctionnement d’une diode à avalanche pendant une ESD, les règles de dessin pour optimiser le couplage des deux composants seront présentées et confrontées à des résultats de mesure.