chapitre i i. caracterisation des diodes pin en commutation

CHAPITRE I: C
ARACTERISATION DES DIODES PIN EN COMMUTATION
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Contribution à la modélisation électro-thermique
de la cellule de commutation MOS-Diode
CHAPITRE I
I. CARACTERISATION DES DIODES PIN EN COMMUTATION
I.1. I NTRODUCTION
Les composants de puissance et en particulier les diodes PIN trouvent des
applications en nombre croissant dans le domaine de l’électronique industrielle qui exige de
plus en plus de performances en termes de :
° chute de tension en polarisation directe, chute qui doit être la plus faible possible pour
limiter les pertes lors de la circulation de courants d’intensité élevée,
° tension de claquage qui doit être haute mais qui dépend naturellement de l’application,
° densité de courant en polarisation directe qui doit être élevée mais dépend naturellement
de l’application,
° vitesse de commutation qui est souhaitée très élevée pour satisfaire la montée en
fréquence des systèmes de puissance et pour minimiser les contraintes sur l’interrupteur
principal.
La physique des semi-conducteurs nous montre qu’il n’est pas possible de satisfaire
simultanément ces quatre exigences. Par conséquent les fabricants de composants réalisent
des compromis pour satisfaire au mieux ces contraintes. En effet, pour les diodes PIN, les
paramètres physiques qui jouent un rôle primordial pour atteindre un meilleur compromis
sont: la concentration des atomes dopants, ND, dans la zone centrale, la largeur de la zone
centrale de la diode, Wν, la surface active du composant A et la durée de vie ambipolaire, τ.
Les valeurs de ces paramètres technologiques dépendent du domaine d’application visé.

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Vue l’augmentation importante de la fréquence de découpage des systèmes électroniques
de puissance, notre travail portera sur l’étude des formes d’ondes du courant et de la tension
aux bornes des diodes PIN ultra-rapides, lors de la commutation. La diode PIN est le
dispositif presque indispensable dans les systèmes électroniques de puissance.
Dans la première partie de ce chapitre, nous rappelons brièvement l’aspect technologique et
physique de la diode de puissance. La description comportementale de la commutation au
blocage fera l’objet de la deuxième partie. La troisième partie sera consacrée à la
présentation du banc de mesure, développé au sein de notre laboratoire. En disposant de ce
banc de mesure et en adoptant des techniques de mesure du courant et de la tension,
diverses diodes PIN ont été caractérisées en commutation. Puisque le blocage de la diode
PIN est assuré par un transistor MOSFET dans notre circuit de commutation, il est
indispensable de tenir compte de ce dispositif lors de la modélisation du circuit de test. D’où
la nécessité de modéliser cet interrupteur commandé pour la simulation du comportement
transitoire des diodes PIN en commutation.
I.2. Aspect technologique de la diode pin de puissance
I.2.1 P ROFIL DE DOPAGE DE LA DIODE PIN DE PUISSANCE
L’allure générale du profil de dopage de la diode de puissance PIN est représentée dans la
figure I.1, pour chacune de deux versions disponibles sur le marché. Elles se différencient
pour des raisons purement technologiques, en fonction de leur calibre, déterminé par la
tension de claquage VBR. On distingue deux cas :
- Haute tension (VBR ≥ 1500 V ) on utilise la technologie toute diffusée [Arnould-92]. Le
matériau de départ est un substrat homogène faiblement dopé de grande résistivité ( 10 à
100 Ω.cm ) dans lequel sont réalisées des diffusions sur chaque face. L’épaisseur de la zone
centrale Wv est importante, et assez difficile à contrôler lors du processus de fabrication.

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Figure I.1 (a): Allure du profil de dopage d’une diode PIN, technologie " tout diffusé ", [Anould-92].
Figure I.1 (b): Allure du profil de dopage d’une diode PIN, technologie " épi diffusée " [Anould-92].
X
JN
30 à 150µm W
ν
30 à 500µm X
JP
10 à 50µm
P+
N
+
ν
Substrat homogène
d’origine peu dopé
(10 à 100 Ω.cm)
P diffusé
N
+ diffusé
e
Concentration
(at.cm-3)
x
Cas a
W substrat
400 à 500µm
W
ν
5 à 50µm X
JP
5 à 20µm
P+
N
+
ν
Diffusion P
dans le dépôt
épitaxie
Substrat homogène
d’origine très dopé
(30 à 10 mΩ.cm)
W épi Dépôt épitaxié
peu dopé (2 à 20 Ω.cm)
Concentration
(
at
.cm
-3
)
x
X
JN
Cas b

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- Pour les basses et moyennes tensions ne nécessitant pas une épaisseur Wv trop
importante, les diodes sont épi-diffusées. Sur un substrat fortement dopé N+, on fait croître
une couche (ou plusieurs) épitaxiée, faiblement dopée, d’épaisseur raisonnable et bien
contrôlée, dans laquelle on diffuse, ou on implante, une couche P+ pour former l’anode. Lors
des différents recuits, les zones diffusées ou implantées vont évoluer et modifier notamment
l’épaisseur de la zone épitaxiée.
Pour avoir des commutations douces des diodes PIN épi-diffusées, et éviter le risque
de leur claquage particulièrement pour des tensions élevées appliquées en inverse, un profil
de dopage amélioré a été proposé dans la littérature [Baliga-87] (figure I.2). Il s’agit d’un
substrat fortement dopé N+ sur le quel on fait croître successivement deux couches
épitaxiées faiblement dopées et d’épaisseurs raisonnables et bien contrôlées. Le dopage de
la première couche épitaxiée doit être suffisamment élevé pour limiter la dispersion de la
zone de déplétion et suffisamment faible pour permettre toujours la modulation de la
conductivité. La deuxième couche épitaxiée est responsable de la tenue en tension en
inverse. Sur cette dernière on diffuse ou on implante une couche P+ pour former l’anode.
Il existe d’autres variantes pour le contrôle de la région N-N+.
Figure I.2 : Allure du profil de dopage amélioré de la diode PIN avec une technologie épi-diffusée
W substrat
400 à 500µm
W
ν
5 à 50µm X
JP
5 à 20µm
P+
N
+
ν
Diffusion P
dans le dépôt
épitaxie
Substrat homogène
d’origine très dopé
(30 à 10 mΩ.cm)
W épi Dépôt épitaxié
peu dopé (2 à 20 Ω.cm)
Concentration
(at.cm-3)
x
X
JN

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I.2.2 L ES PROTECTIONS PERIPHERIQUES
La littérature propose plusieurs techniques de protection. Les plus couramment
utilisées par les concepteurs, de part leur simplicité de réalisation et leur efficacité, sont la
structure Mesa [Lanois-97] (figure I.3), l’extension latérale de jonction (JTE) [Temple-76]
(figure I.4) et les anneaux de garde [Alder-77] (figure I.5). La fonction qu’ils assurent est
d’étaler les équipotentielles en périphérie de la jonction polarisée en inverse. L’étalement des
équipotentielles permet de diminuer localement l’amplitude du champ électrique à la
périphérie pour éviter la génération des porteurs par un phénomène d’avalanche, et par
conséquent un claquage prématuré en périphérie de la jonction par rapport au volume.
Fig I.3: Structure Mesa
Fig I.5: Anneaux de garde
K
P
+
N
N
+
θ
A
P
+
N
N
+
K
P P P
A