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Auteur(s)
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Philippe LETURCQ : Professeur à l’Institut National des Sciences Appliquées deToulouse - Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes du CNRS (LAAS)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Dans les composants semi-conducteurs unipolaires, le transport du courant est assuré par les seuls porteurs majoritaires de la région de « base » large et peu dopée qui confère aux dispositifs leur tenue en tension. Cette région de base n’est donc pas modulée en conductivité ; aussi le « compromis » de performances offert entre tension bloquée et courant passant est-il a priori moins favorable, pour une même surface de cristal, que pour les composants bipolaires.
Par contre, en l’absence de phénomènes de stockage de porteurs minoritaires, les composants unipolaires sont intrinsèquement plus rapides. Deux avantages connexes doivent être soulignés :
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une très forte résistance d’entrée des dispositifs commandés (transistors), grâce à la possibilité de contrôler le flux de porteurs majoritaires par effet de champ (effet de champ de jonction, effet de champ Métal-Oxyde- Semiconducteur) ;
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une grande stabilité thermique latérale sous polarisation directe, en raison du coefficient de température négatif de la mobilité des porteurs ; cette stabilité autorise la réalisation de composants de fort calibre en courant, avec une grande surface active, par intégration parallèle de cellules élémentaires.
Les possibilités des effets unipolaires et bipolaires apparaissent complémentaires. Leur association dans des structures de composants hybrides offre des degrés de liberté supplémentaires dans l’arbitrage des compromis de performances entre tenue en tension, capacité en courant, temps et pertes de commutation. L’exemple le plus important industriellement est l’IGBT (Insulated-Gate-Bipolar -Transistor) mais bien d’autres dispositifs « mixtes », aux potentialités variées, apparus au cours des deux dernières décennies, procèdent de cette démarche.
La répartition en deux articles des analyses relatives aux composants unipolaires et mixtes est motivée uniquement par des contraintes de place. Il s’agit en réalité d’un ensemble.
le lecteur se reportera, pour les notions préalables, à l’article « Physique des semi-conducteurs de puissance » ainsi qu’à l’article qui traite de la « Tenue en tension des semi-conducteurs de puissance » ; le lecteur aura également intérêt, pour ce qui touche aux composants « mixtes » à consulter les articles et relatifs aux « Composants semi-conducteurs de puissance bipolaires », notamment les paragraphes 1.1 à 1.6 de .
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3. Transistors à effet de champ de jonction et composants dérivés
3.1 Généralités
L’effet de champ de jonction (cf. article , § 2.5) permet le contrôle du courant passant dans des dispositifs de puissance unipolaires. Le principe est la variation de section de canaux conducteurs par l’extension de la charge d’espace dépeuplée de jonctions de « grille » normalement polarisées en inverse.
Pour une pleine utilisation de l’aire de conduction offerte par le cristal et pour disposer d’une « base » large et peu dopée indispensable à la tenue en tension, la structure des composants est verticale , comme indiqué au paragraphe 1.1.1, les régions de source et de drain étant formées sur les faces opposées de la plaquette. En règle générale, le matériau de base est de type N pour bénéficier de la plus grande mobilité des électrons. Les fonctions de grille sont établies à quelque profondeur sous la région de source (grille « enterrée », figure 15 a ) ou réalisées en surface , avec interdigitation vis-à-vis de la source qui est alors nécessairement fragmentée (figure 15 b ). Outre la délimitation des canaux conducteurs, ces grilles ont aussi la fonction de jonction bloquante : après dépeuplement de l’espace intergrille, la charge d’espace se développe, à tension supportée...
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