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Auteur(s)
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Philippe LETURCQ : Professeur à l’Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes du CNRS (LAAS)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Pour remplir leur fonction de conduction, les composants semi-conducteurs bipolaires mettent en jeu électrons et trous. Ils s’opposent en cela aux composants unipolaires dans lesquels le transport du courant est assuré par un seul des deux types de porteurs. La distinction est classique mais s’applique mal à nombre de composants modernes qui conjuguent dans le même cristal des mécanismes unipolaires et bipolaires. Aussi la répartition en plusieurs articles des analyses du fonctionnement des divers composants de puissance bipolaires est-elle motivée davantage par des raisons de commodité d’exposé et des contraintes de volume que par le respect strict des principes. Les deux premiers articles et sont consacrés à l’étude des semi-conducteurs de puissance bipolaires « purs » : diode, transistor, thyristor et composants dérivés, cependant que les composants « mixtes », tels l’ IGBT (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor), sont alliés aux composants unipolaires, transistor MOS principalement, dans l’article . Le lecteur considérera qu’il s’agit en réalité d’un ensemble.
La qualification de bipolaire, pour les composants de puissance, sous-entend en outre la mise en jeu d’effets de modulation de conductivité pour réduire autant que possible la tension de déchet à l’état passant. Cette modulation de conductivité s’exerce essentiellement dans la région de base large et peu dopée qui confère au dispositif sa capacité de blocage de la tension. Elle a pour corollaire un stockage de porteurs qui pèse sur les performances dynamiques, à l’ouverture comme à la fermeture. Ces effets essentiels sont analysés dans cette première partie, illustrés par le cas très important de la diode qui, du double point de vue théorique et pratique, est l’archétype des composants de puissance bipolaires.
le lecteur se reportera, pour les notions préalables, à l’article « Physique des semi-conducteurs de puissance », particulièrement au paragraphe 2.1 (jonction PN), ainsi qu’à l’article qui traite, de manière générique, de la « Tenue en tension des semi-conducteurs de puissance ».
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Diodes bipolaires
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1. Principes généraux
1.1 Schématisation des structures bipolaires
La compréhension du fonctionnement des composants semi-conducteurs de puissance bipolaires est largement facilitée si on admet l’ unidimensionnalité des phénomènes principaux et la possibilité de partition de la structure en régions physiquement et électriquement « typées » ( approche « régionale », cf. article , § 1.7). La figure 1 propose, dans ce cadre d’analyse simplifié, les schémas de principe des principaux dispositifs de puissance purement bipolaires : diode, transistor, thyristor.
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La « base » , c’est-à-dire la région large et peu dopée qui jouxte la jonction bloquante, constitue le « cœur » du dispositif. De type N le plus souvent, cette base correspond à la région centrale des diodes, à la base large des thyristors, à la région de collecteur des transistors bipolaires (mais, à l’origine, elle correspondait bien à la base des transistors « alliés »). Elle joue le rôle principal dans le comportement statique et dynamique du composant, car c’est là que s’étend la charge d’espace de la jonction bloquante et que se trouve distribuée, à l’état passant, la plus grande part de la population des porteurs en transit.
Les régions encadrant la base ont pour rôle d’injecter dans cette dernière les porteurs de charge nécessaires à la conduction, électrons et trous, ou de les extraire. Ces régions , émettrices ou collectrices , sont généralement beaucoup plus minces et plus fortement dopées que la région de base. Pour ces deux raisons, on peut, en première analyse, y négliger la charge des porteurs en excès. Dans les diodes, il s’agit d’émetteurs P et N, le plus souvent fortement dopés ; la structure type est donc P +NN+. Dans les thyristors et les transistors, l’une des régions est composite, associant à un émetteur N + une couche de commande P (également appelée « base » par abus de langage). Les structures types sont ainsi N +PN−P+ pour le thyristor et N+PN −N+ pour le transistor (cet ordre de succession des couches est inversé sur...
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