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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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1. Transistors MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur)
Les transistors de puissance à effet de champ Métal-Oxyde-Semiconducteur mettent en jeu les mêmes principes physiques que les composants MOS de la microélectronique (cf. article , § 2.4). La structure est toutefois différente, pour répondre aux exigences de capacité en courant et de tenue en tension propres aux applications de puissance, avec pour aménagements principaux :
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l’intégration en parallèle, dans un cristal unique, d’un nombre suffisant de cellules élémentaires toutes identiques, connectées aux mêmes contacts terminaux de source, de grille et de drain (capacité en courant) ;
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l’incorporation dans la jonction de drain d’une région large et peu dopée dans laquelle peut se développer la charge d’espace en situation de blocage (tenue en tension).
1.1 Principales structures MOS de puissance
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La disposition générale est verticale (V-MOS : Vertical MOS) ou horizontale (L-MOS : Lateral MOS) ; les variantes sont nombreuses. La figure 1 schématise les principales : « VDMOS » (D pour « diffused »), la plus classique, et « Trench V-MOS » (structure « à tranchées ») ; la structure latérale « LDMOS » est plutôt réservée à des composants de faible capacité en courant dans un contexte d’intégration de puissance (cf. ). Si la structure LDMOS conserve l’organisation de principe des dispositifs MOS microélectroniques (cf. , § 2.4.1), les structures « verticales » V-MOS confient à la région N + de drain le rôle mécanique du substrat et à un « caisson » PP+ son rôle électrique. La grille est généralement réalisée en silicium polycristallin de type N, fortement dopé.
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Les formes géométriques des cellules sont diverses. Pour les structures verticales, la figure 2 représente les agencements les plus courants avec, pour paramètres principaux, le pas de répétition
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