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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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Cette deuxième partie de l’étude des composants de puissance unipolaires et mixtes est principalement consacrée au transistor Métal-Oxyde-Semiconducteur et aux dispositifs qui en dérivent. En continuité avec l’article pour ce qui touche aux composants unipolaires, elle se fonde par ailleurs, pour les composants mixtes, sur les principes généraux des composants bipolaires, tels qu’ils sont présentés dans l’article .
L’apparition des transistors Métal-Oxyde-Semiconducteur de puissance, puis de toute une gamme de composants plus complexes où sont combinés l’effet de champ MOS et des mécanismes d’injection bipolaires, a accompagné, pendant la décennie 1980, un changement radical de conception dans le domaine des composants de l’électronique de puissance : la commande MOS « isolée » et l’association en parallèle, dans le même cristal, d’un nombre élevé de composants ou « cellules » élémentaires (jusqu’à plusieurs millions d’unités) résout l’apparente incompatibilité des technologies de puissance classiques et des technologies purement microélectroniques. Les dispositifs étudiés ici sont donc déjà des composants de puissance intégrés, les formes les plus abouties étant décrites dans l’article « Intégration de puissance ».
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Transistors MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur)
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2. IGBT (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor)
Introduits dans l’article (§ 1.2), les transistors IGBT sont des dispositifs mixtes dont la structure dérive de celle des transistors MOS de puissance par substitution d’un émetteur P à la région N + de drain. Cet émetteur a pour fonction d’injecter dans la région faiblement dopée N − des porteurs minoritaires (trous) afin d’assurer, dans l’état passant, la modulation de conductivité qui fait défaut aux composants MOS purs. Ainsi peuvent être conjuguées, dans certaines limites, des qualités complémentaires des transistors MOS (commande « isolée », stabilité thermique latérale) et des transistors bipolaires (« bon compromis » entre tension bloquée et courant passant), ce qui permet aux IGBT de remplacer avec avantage ces composants dans leurs utilisations limites et de les relayer dans les domaines des fortes tensions (gamme des kilovolts). La technologie des IGBT reste étroitement apparentée à celle des transistors MOS de puissance ; notamment, la configuration géométrique multicellulaire est la même ; les plus forts calibres en courant (gamme des kiloampères) sont obtenus par mise en parallèle de plusieurs puces IGBT, sous forme de modules .
2.1 Structure et principe de fonctionnement des IGBT
Pour les applications proprement de puissance (conversion d’énergie), les IGBT conservent la disposition générale verticale des composants VMOS (figure 1). La figure 17 schématise deux structures parmi les plus courantes, qualifiées de « punch-through » (PT-IGBT) et « non punch-through » (NPT-IGBT). Il existe de nombreuses autres variantes, parmi lesquelles des structures « à tranchées ». On rencontre également, notamment dans un contexte d’intégration monolithique de circuits de puissance, des dispositifs latéraux (LIGBT).
Dans les structures de la figure 17 on reconnaît l’imbrication d’un transistor VDMOS et d’un transistor bipolaire PNP , explicitée...
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