Etude, développement et caractérisation de composants de puissance MOS-bipolaires pour les applications de moyennes tensions
par Philippe Godignon
Thèse de doctorat en Electronique
Sous la direction de Jean-Pierre Chante.
Soutenue en 1993
à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec CEGELY - Centre de génie électrique de Lyon (Rhône) (laboratoire) et de Universitat autònoma de Barcelona (autre partenaire) .
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Résumé
Ce mémoire traite de l'étude det de la fabrication de composants de puissance MOS-bipolaires de moyenne tension. Deux composants, l'IGBR (Insulated Gate Bipolar Transistor) et l'IBT (Insulated Base Transistor), sont analysés et optimisés aux moyens de simulations électriques bidimensionnelles. Le comportement de ces composants dépend en grande partie des caractéristiques du transistor bipolaire qu'ils contiennent. Dans le cas de l'IGBT, un transistor bipolaire de faible gain est nécessaire pour obtenir un comportement optimum en rupture, en commutation et en retournement. Dans le cas de l'IBT, le transistor bipolaire peut travailler en régime linéaire ou en régime quasi-saturé suivant sa structure interne. La valeur du gain du transistor bipolaire va influencer la conduction : le valeur de la tension de rupture et le temps d'ouverture du composant. Deux variantes de la structure IBT standard sont proposées afin d'améliorer les caractéristiques de rupture du composant. La fabrication de composants IGBT, IBT ainsi que VDMOS a été menée aà terme après avoir préalablement défini deux technologies, simple et double métal, cette dernière étant nécessaire à la réalisation des IBT. La phase de caractérisation nous permet de vérifier les résultats obtenus par simulation ? Des mesures sur des structures de test permettent de compléter l'étude en incluant les effets tridimensionnels. La comparaison des composants fabriqués nous permet de situer l'IBT comme un composant intermédiaure entre l'IGBT et de VDMOS, avec de bonnes caractéristiques en conduction et en commutation. De plus, une modification simple permet d'améliorer sensiblement sa tension de rupture sans pénaliser le comprtement en direct. Ce travail est donc une approche théorique et technologique des composants MOS bipolaires permettant la plus ample connaissance des caractéristiques des composants de puissance pour les applications de moyenne tensions.
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Titre traduit
= Study, development and characterisation of power MOS-bipolar devices for medium voltage applications
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Résumé
This thesis deals with the study and fabrication of power MOS-bipolar devices for medium voltage appplications Two structures, the Insulated Gate Bipolar Transistor and the Insulated Base Transistor, are analysed and optimization by means of two dimensional electrical simulations The behaviour of 4hese devices greatly depends on their intrinsic bipolar transistor. In the case of IGBT, a large base and low gain bipolar transistor is necessary to obtain the optimum breakdown, switching and latch-up behaviour. In the case of IBT. The bipolar transistor can work in its linear or in its quasi-saturated regime depending on the structure design. Two modified IBT structures aimed at the improvement of (be breakdown voltage value are proposed. Two fabrication technologies, with one and two metal level, have been developed, the last one allowing the design of cellular geometries IBT. The device characterisation bas been carried out and the experimental results are compared with those obtained from simulation. Measurements on test structures allow the study of the influence of the third dimension on the device characteristics. The comparison of fabricated structures shows the IBT as a alternative device to the IGBT and the VDMOS, with good static and dynamic electrical characteristics. Moreover, a simple modification allows an important improvement of the breakdown voltage without reducing the output current capability. This work is a theoretical and technological approach to the MOS-bipolar devices design, aimed at a larger knowledge of the power devices for medium voltage applications.
