Composants semi-conducteurs - Intégration de puissance monolithique

En électronique de puissance, les fonctions sont principalement liées aux opérations de contrôle et de conversion de l’énergie électrique. Ainsi, les semi-conducteurs de puissance sont principalement destinés à des fonctions d’interrupteur dans la mise en œuvre des convertisseurs d’énergie (redresseur, hacheur, onduleur, etc.). Toutefois, des fonctions spécifiques de protection des équipements électriques mettent également en jeu des semi-conducteurs de puissance. Les premiers composants de puissance (diodes, transistors bipolaires, thyristors) permettant de contrôler des tensions et des courants élevés furent commercialisés dans les années 1950 et, depuis, les composants semi-conducteurs se sont progressivement substitués aux solutions électromécaniques pour la réalisation des convertisseurs d’énergie. Dans les années 1970, les structures de type MOS (Métal/Oxyde/ Semi-conducteur), caractérisées par une impédance d’entrée élevée, ont permis de s’affranchir des commandes en courant des dispositifs de puissance purement bipolaires. Les premiers transistors MOS de puissance ont donc vu le jour, préfigurant les nombreux composants de puissance basés sur l’association des technologies MOS et bipolaires. Ainsi, au cours des années 1980, un pas technologique fut franchi avec l’IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) qui est devenu le composant de puissance le plus utilisé pour les applications de moyenne puissance. Depuis une vingtaine d’années, l’intégration en électronique de puissance s’est développée, tirée par des marchés spécifiques comme l’automobile, l’éclairage ou l’électroménager. Suivant les niveaux de puissance et les contraintes à supporter, les solutions d’intégration sont monolithiques ou hybrides. Dans ce dossier, nous évoquerons l’intégration monolithique et ses deux grandes familles que sont l’intégration de puissance de type « Smart Power » et l’intégration fonctionnelle. L’intégration hybride est traitée dans le dossier suivant [D 3 111].

Bien que les performances à optimiser pour les composants de puissance soient différentes de celles des circuits intégrés, l’évolution des composants de puissance au cours des vingt dernières années est étroitement liée aux progrès des technologies microélectroniques réalisés dans le domaine des circuits intégrés. En effet, l’essor important des circuits intégrés du traitement du signal et de l’information s’est accompagné d’un important effort de recherche qui a conduit au développement de nouveaux procédés technologiques et à la réduction des dimensions.

La synergie entre les domaines de la puissance et du traitement du signal a été déclenchée par l’introduction des technologies MOS dans les dispositifs de puissance. Les performances en termes de résistance à l’état passant des structures MOS verticales de puissance (VDMOS) ont été nettement améliorées par la réduction des dimensions qui a permis d’augmenter le nombre de cellules par unité de surface. L’IGBT, qui est actuellement l’un des dispositifs les plus utilisés en électronique de puissance, est une retombée directe de ces travaux. Les dispositifs « Smart Power » mixant des dispositifs de puissance à commande MOS et des circuits de traitement du signal illustrent parfaitement cette tendance.

La réalisation technologique de ces nouvelles fonctions de puissance intégrées peut se traiter de deux façons soit en favorisant l’optimisation de la partie puissance, soit en privilégiant la fonctionnalité aux dépens des éléments de puissance. Les dispositifs « Smart Power » et HVIC (« High Voltage Integrated Circuits ») correspondent davantage à la première approche et sont réalisés à partir de filières technologiques de type circuits intégrés (CMOS ou BiCMOS). Les dispositifs de puissance discrets intelligents et l’intégration fonctionnelle procèdent de la deuxième approche et sont basés sur des technologies de composants de puissance.