DOCTORAT DE L`UNIVERSITE DE TOULOUSE

En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE TOULOUSE
Délivrée par : l’Université Toulouse III - Paul Sabatier
Discipline ou spécialité : Conception de Circuits Microélectroniques et Microsystème
Présentée et soutenue par Hakim TAHIR
Le 12 juillet 2011
Conception et réalisation de structures IGBTs bidirectionnelles en
courant et en tension
JURY
P. BIDAN Professeur, UPS, Toulouse Président
C. SCHAEFR Professeur, IPG, Grenoble Rapporteur
Z. KHATHIR Directeur de Recherche, IFSTTAR, Versailles Rapporteur
N. ROUGER Chargé de recherche, G2Elab, Grenoble Examinateur
P. DUPUY Ingénieur de recherche, FREESCALE, Toulouse Examinateur
A. BOURENNANE Maître de Conférences, IUT, Toulouse III Co-directeur de thèse
Ecole doctorale : GEET
Unité de recherche : LAAS-CNRS
Directeur(s) de thèse : J-L. SANCHEZ (Directeur), A. BOURENNANE (Co-directeur)

Remerciements
Ces travaux de thèse ont été effectués au sein du groupe Intégration des Systèmes de Gestion de
l’énergie (ISGE) du Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS) du CNRS à
Toulouse.
Avant d’exprimer mes remerciements pour toute personne ayant participé à ce travail de thèse, je
voudrais tout d’abord rendre hommage à mon directeur de thèse ; Monsieur Jean-Louis SANCHEZ
décédé le 15 Mai 2011 suite à une crise cardiaque.
Monsieur SANCHEZ était, au-delà de ses qualités scientifiques, un modèle d’humanité, de gentillesse,
de simplicité et de modestie. C’est grâce à son encouragement et ses conseils que mon travail de thèse
a pu avancer. J’ai eu l’honneur d’être encadré par quelqu’un comme Jean-Louis SANCHEZ. C’est
vraiment très triste son départ définitif.
Je tiens à remercier en premier lieu Messieurs CHATILA, SANCHEZ et ARLAT directeurs successifs
du LAAS, ainsi Madame BAFLEUR, responsable du groupe ISGE, pour m’avoir accueilli et permis
d’entreprendre cette étude.
Je remercie énormément Messieurs SCHAEFFER Christian et KHATIR Zoubir, qui ont accepté de
rapporter sur les travaux de ma thèse. Je remercie également les membres du jury, Messieurs
ROUGER Nicolas et DUPUY Philippe, ainsi que Monsieur BIDAN Pierre qui m’a fait l’honneur de le
présider avec toute sa modestie.
Je remercie en particulier, mon co-directeur de thèse Abdelhakim BOURENNANE pour son aide
scientifique et son suivi permanent de ce travail. Tu as accompli ton travail plus qu’il fallait. Merci
pour ta confiance que tu m’as fait durant toutes ces années et merci beaucoup pour l’énorme temps que
tu as consacré pour réussir ce travail (jusqu’à 5h00 du matin en plusieurs fois). C’était très agréable de
mener ce travail de thèse avec toi. Tes prochains thésards vont le confirmer sans doute. Si ce travail de
thèse est qualifié pour un prix de thèse de l’école doctorale GEET, c’est bien grâce à toi.
Je remercie énormément madame Marie BREIL-DUPUY pour son aide pertinent dans ce travail et
pour ses corrections de ce manuscrit.
Un grand merci aux personnels de la centrale technologique du LAAS pour leur patience et
compréhension, en particulier Eric IMBERNON, Djaffar BELHARET, Laurent BOUSCAYROL,
Laurent MAZENQ…
Je voudrais également remercier mes collègues du bureau Emanuel, Gaëtan et Hussein pour avoir
rendu cette période, si agréable par la bonne ambiance, par l’échange d’informations et par l’entraide
sur tous les plans.

Je remercie aussi mes collègues et amis du laboratoire, Mourad, Lyes, Moustapha, Toufik, Lamine,
Moh, Aymen pour les moments agréables des matches de foot (Toufik était Messi dans notre équipe).
Je remercie énormément Hamada pour ses invitations de pose du café !!!, Hamida pour son soutient
moral, Samir, Ahmed, Lyamine…je m’excuse auprès de ceux que je n’ai pas cités.
Je remercie chaleureusement, mes parents pour leur soutien moral depuis mon premier jour à l’école
jusqu’à ce jour.
Je remercie énormément ma femme pour sa patience et son soutien durant la période de ma thèse.
Finalement, Je dédie ce travail à mon petit adorable fils « Tariq » qui m’a donné une nouvelle vie
pleine de joie et d’amour.

TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................... 1
CHAPITRE 1
ETAT DE L’ART DES INTERRUPTEURS UNIDIRECTIONNELS ET
BIDIRECTIONNELS COMMANDES EN TENSION ............................................................. 9
I. INTRODUCTION ................................................................................................................ 11
II. LES INTERRUPTEURS DE PUISSANCE ....................................................................... 13
III. EVOLUTION DES STRUCTURES IGBTs UNIDIRECTIONNELLES EN COURANT
.................................................................................................................................................. 14
III-1. IGBT UNIDIRECTIONNEL A TECHNOLOGIE PLANAR ................................................................. 15
III-1-1. IGBT NPT (Non Punch Through) .................................................................................................... 15
III-1-2. IGBT PT (Punch Through) .............................................................................................................. 15
III-1-3. IGBT Field Stop (IGBT FS) ............................................................................................................. 16
III-2. IGBT UNIDIRECTIONNEL A GRILLE EN TRANCHEES ................................................................. 17
III-2-1. Trench Gate IGBT (TIGBT) ............................................................................................................. 17
III-2-2. IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor) ................................................................................... 18
III-2-3. CSTBT (Carrier Stored Trench Bipolar Transistor) ........................................................................ 18
III-3. AUTRES STRUCTURES IGBT DERIVEES DE L’IGBT A TECHNOLOGIE PLANAR ......................... 19
III-3-1. HiGT (High Conductivity IGBT) ..................................................................................................... 19
III-3-2. SJBT (Super Junction Bipolar Transistor) ....................................................................................... 19
IV. SYNTHESE DE LA FONCTION INTERRUPTEUR BIDIRECTIONNEL EN
COURANT ET EN TENSION ................................................................................................ 20
IV-1. PAR ASSOCIATION D’ELEMENTS DISCRETS .............................................................................. 20
IV-2. PAR UTILISATION DE STRUCTURES MONOLITHIQUES COMMANDEES PAR MOS ...................... 21
IV-2-1. Structures latérales .......................................................................................................................... 21
IV-2-2. Structures verticales ......................................................................................................................... 24
V. STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE A BASE DE STRUCTURES IGBT
COMPLEMENTAIRES .......................................................................................................... 28
VI. L’INTEGRATION DE FONCTIONS AUXILIAIRES AVEC L’INTERRUPTEUR DE
PUISSANCE ............................................................................................................................ 29
VII. CONCLUSION ................................................................................................................ 32