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Résumé

Nous analysons à partir de simulations 2D et 3D une structure qui intègre monolithiquement un IGBT à bandes parallèles et une diode PIN de conduction inverse. Par rapport à un IGBT classique, la face arrière de cette structure est constituée de régions dopées P+ et N+. Nous montrons à partir de la visualisation de la répartition des porteurs dans une structure, l'influence de la diffusion N+ face arrière sur la chute de tension à l'état passant. Les simulations ont été effectuées premièrement sur une seule cellule puis elles ont été réalisées sur un grand nombre de cellules en respectant le critère de rapport de surfaces N+/(N+ + P+) sur la face arrière. Dans cet article, l'application que nous visons concerne le cas où la diode intégrée assure la conduction durant un temps très court pendant la commutation.

Résumé

Ces travaux s'inscrivent dans le contexte de l'intégration fonctionnelle. Nous nous intéressons plus particulièrement aux interrupteurs bidirectionnels commandés par MOS. Ces interrupteurs devraient pouvoir remplacer le triac dans les applications sur le réseau alternatif. En effet, le triac est un composant commandé en courant nécessitant une énergie de commande relativement élevée par rapport aux dispositifs commandés en tension. C'est dans cette optique que nous avons analysé la plupart des structures proposées dans la littérature pour déterminer leurs avantages et leurs limitations. Par la suite, nous avons proposé plusieurs structures. La première est une structure MOS-triac qui permet de doter le triac d'une impédance d'entrée élevée et d'avoir une structure triac commandée en tension. Cette structure est analysée à l'aide de simulations 2D, conçue et réalisée et nous avons donné les résultats de caractérisation. La deuxième structure est un MOS-thyristor bidirectionnel en courant et en tension. Cette structure utilise un nouveau principe de mise en conduction dans le troisième quadrant de fonctionnement. En effet, ce principe est utilisé pour la première fois dans les dispositifs de puissance. Pour vérifier que l'IGBT latéral est en mesure de fournir un courant nécessaire pour le déclenchement du thyristor vertical, un IGBT latéral et un thyristor vertical ont été réalisés. La caractérisation de ces deux composants a montré qu'il est possible d'obtenir le fonctionnement souhaité en associant monolithiquement ces deux composants. La troisième structure est aussi un MOS thyristor bidirectionnel en courant et en tension. Toutes les électrodes de commandes et de puissance sont sur la même face du substrat de silicium, ce qui facilite ainsi l'intégration des éléments passifs avec le dispositif de puissance. L'analyse du fonctionnement de cette structure est effectuée à l'aide de simulations 2D et des éléments de conception ont été donnés.

Abstract

This thesis work deals with the design of new MOS gated ac switch structures for ac mains applications, using functional integration. These devices are intended to replace the triac in ac mains applications. Indeed, the triac is a current controlled device requiring moderate amount of control power compared to voltage controlled devices. To develop new structures, the MOS controlled bidirectional devices proposed in the state of th art were analysed and their advantages as well as their drawbacks were highlighted. The first structure that we proposed is a MOS-riac that allows to have a triac structure with high input impedance and a voltage controlled structure. This structure is analysed using 2D simulations, designed, realised and we gave some experimental results. The second structure is a voltage and current bidirectional MOS-thyristor device. This structure uses a new type of triggering mode in the third quadrant of operation . Indeed, this mode of triggering is used for the first time in power semiconductor devices. To check that the lateral IGBT is capable of supplying the necessary current to turn-on the vertical thyristor, a lateral IGBT and a vertical thyristor were realised separately. The characterisation of these two components showed that it is possible to obtain the desired operation by integrating monolithically these two components. The third and last structure we proposed is also a bidirectional MOS controlled device. It has all the gate elctrodes and main power electrodes on the same face of the wafer. This could make it easier for a possible integration of passive elements with the power device. The analysis of the device operation was carried out using 2D simulations and some design elements of the complete device were given.

Mots-Clés / Keywords

Intégration fonctionnelle; Interrupteur bidirectionnel; Triac; Thyristor; IGBT; MOS-thyristor; Functional integration; Bidirectional switch;