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CD:\ELP\Cours\Chap7 M. Correvon Electronique de puissance __________ Chapitre 7

CD:\ELP\Cours\Chap7 M. Correvon Electronique de puissance __________ Chapitre 7 LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE DEUXIÈME PARTIE : LE MOSFET T A B L E D E S M A T I E R E S PAGE 7. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (2) : LE MOSFET. .....................................................................1 7.1 HISTORIQUE. ...........................................................................................................................................................1 7.2 LE MOSFET EN MODE INTERRUPTEUR..................................................................................................................1 7.3 STRUCTURE DU MOSFET. .....................................................................................................................................1 7.3.1 Structure latérale...............................................................................................................................................1 7.3.2 Structure verticale.............................................................................................................................................1 7.4 CAS PARTICULIER DU DMOSFET..........................................................................................................................2 7.5 MODE DE FONCTIONNEMENT DU MOSFET...........................................................................................................3 7.5.1 Processus de formation du canal. ....................................................................................................................3 7.5.2 Comportement à l'état ouvert. ..........................................................................................................................4 7.5.3 Comportement à l'état fermé : caractéristique statique ID=f(VDS,VGS)...........................................................4 7.5.4 Éléments parasites. ...........................................................................................................................................5 7.5.4.1 Diode et transistor......................................................................................................................................................6 7.5.4.2 Capacités parasites.....................................................................................................................................................6 7.5.4.3 Drain – Source résistance..........................................................................................................................................7 7.5.5 Limitation dynamique en commutation............................................................................................................7 7.5.5.1 État ouvert (bloqué)...................................................................................................................................................7 7.5.5.2 État fermé (conducteur).............................................................................................................................................8 7.5.6 Avertissement.....................................................................................................................................................8 7.5.7 Grandeurs nominales de sélection. ..................................................................................................................9 7.5.7.1 Tension Drain-Source : UDS......................................................................................................................................9 7.5.7.2 Résistance Drain-Source à l'état passant: RDSON. .....................................................................................................9 7.5.7.3 Courant de Drain en DC : ID.....................................................................................................................................9 7.5.8 Limites maximales d'utilisation (Absolute maximum ratings).........................................................................9 7.5.8.1 Courant de Drain: ID et IDpulse..................................................................................................................................10 7.5.8.2 Tension Grille-Source VGS......................................................................................................................................12 7.5.8.3 Puissance maximale dissipée. .................................................................................................................................12 7.5.8.4 Température maximale de jonction en fonctionnement Tjmax................................................................................12 7.5.8.5 Température maximale de stockage. ......................................................................................................................12 7.5.8.6 Énergie d'avalanche.................................................................................................................................................12 7.5.9 Caractéristiques statiques...............................................................................................................................15 7.5.9.1 Caractéristique V(BR)DSS=f(TJ).................................................................................................................................15 7.5.9.2 Caractéristique ID=f(VDS,VGS). ...............................................................................................................................16 7.5.9.3 Tension Grille-Source de seuil VGS(th)=f(TJ). .........................................................................................................17 7.5.9.4 Courant de fuite de Drain à l'état bloqué IDSS.........................................................................................................17 7.5.9.5 Courant de fuite de Grille IGSS. ...............................................................................................................................18 7.5.9.6 Résistance RDSON à l'état passant. ...........................................................................................................................18 7.5.9.7 Résistance équivalente d'entrée...............................................................................................................................19 7.5.10 Caractéristiques dynamiques. ...................................................................................................................19 7.5.10.1 Caractéristique de transfert ID=f(VGS). ...................................................................................................................19 7.5.10.2 Mesures des capacités parasites..............................................................................................................................20 7.5.10.3 Condensateurs parasites. .........................................................................................................................................23 7.5.10.4 Caractéristique de transfert de charge.....................................................................................................................23 7.5.10.5 Transfert des charges. Énergie fournie par la commande......................................................................................25 7.5.10.6 Estimation des temps de commutation...................................................................................................................27 7.5.10.7 Temps de commutation...........................................................................................................................................32 7.5.10.8 Énergie dissipée en conduction et en commutation...............................................................................................33 7.5.11 Diode intrinsèque.......................................................................................................................................35 7.5.11.1 Courant continu passant IS. .....................................................................................................................................36 7.5.11.2 Courant impulsionnel maximum ISM......................................................................................................................36 7.5.11.3 Tension de passage dans le sens direct VSD............................................................................................................36 7.5.11.4 Temps trr et charge Qrr de recouvrement.................................................................................................................37 7.5.11.5 Courant inverse maximum Irrm................................................................................................................................37 7.5.11.6 Décroissance maximale du courant d'extinction dIrr/dt.........................................................................................37 Bibliographie LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (2) : LE MOSFET Page 1 CD:\ELP\Cours\Chap7 7. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (2) : LE MOSFET. 7.1 HISTORIQUE. La théorie sur les transistors à effet de champ (Field Effect Transistor) a été conçue dans les années 1920 – 1930, soit 20 ans avant que le transistor bipolaire (Bipolar Junction Transistor) fut inventé. A cette époque J.E. Lilienfeld (USA) propose un modèle de transistor basé sur le contrôle du courant par l'application d'un champ électrique. Par manque de matériaux semiconducteurs appropriés, et d'une technologie immature le développement de ce type de transistor fut très lent. William Shockely proposa un premier transistor JFET en 1952. Les premiers produits industriels firent définitivement leur apparition dans les années 1970. 7.2 LE MOSFET EN MODE INTERRUPTEUR. Le transistor MOSFET est un interrupteur unidirectionnel en tension et bidirectionnel en courant. iQ uQ inversion du courant fermeture commandée ouverture comandée Figure 7-1 : Représentation du MOSFET sur la forme d'un interrupteur 7.3 STRUCTURE DU MOSFET. 7.3.1 Structure latérale. Les points de contacts du Drain, de la Grille et de la Source sont placés sur la même face de la pastille de silicium. Une telle structure est très facilement intégrable mais ne permet pas d'obtenir un transfert de puissance élevé puisque la distance entre Source et Drain doit être large pour obtenir une bonne tenue en tension inverse alors que la capacité en courant est inversement proportionnelle à cette longueur. 7.3.2 Structure verticale. Dans cette structure, le Drain et la Source sont placés sur deux faces opposées. Les surfaces de contacts de ces deux connexions peuvent ainsi être augmentées et la longueur entre elles réduite. Dans ce cas la capacité en courant est fortement accrue et la tenue en tension inverse peut être améliorée à l'aide d'une zone N- faiblement dopée (N- epitaxial layer). De manière très générale, on distingue trois types de structures verticales LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (2) : LE MOSFET Page 2 CD:\ELP\Cours\Chap7 Zone P Zone P Zone N+ Zone N+ Zone épitaxiale N - Substrat N + Drain SiO2 Source Gate Source Zone P Zone P Zone N+ Zone N+ Zone épitaxiale N - Substrat N + Drain SiO2 Gate Gate Source Zone P Zone P Zone N+ Zone épitaxiale N - Substrat N + Drain SiO2 Zone N+ VMOSFET UMOSFET DMOSFET Figure 7-2 : Structures des MOSFET 7.4 CAS PARTICULIER DU DMOSFET. La structure la plus répandue pour les MOSFET de puissance utilisés en commutation est celle correspond au DMOSFET. Nous nous limiterons donc uniquement à l'étude de cette structure. Un MOSFET de puissance est formé d'un grand nombre de cellules élémentaires mises en parallèle. iD D G S uDS uGS Courant Transistor Courant Transistor Courant Diode Drain Drain Source Oxyde1 Canal Grille Métallisation de la source Oxyde2 (a) (b) Figure 7-3 : (a) Représentation symbolique, (b) Structure en nid d'abeille Le symbole usuel du MOSFET de puissance est représenté à la Figure 7-3 (a). La Figure 7-3 (b) représente une vue en coupe de deux cellules voisines : - l'embase métallique sur laquelle est posée la pastille de silicium constitue le contact de drain D. - La zone en contact avec l'embase est une zone du type N appelée substrat. La partie N0 faiblement dopée sert à assurer la tenue en tension à l'état bloqué. La partie N+ évite que l'épaisseur totale ne soit excessive. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (2) : LE MOSFET Page 3 CD:\ELP\Cours\Chap7 - A la surface du substrat ont été diffusés des îlots de type P et dans ces îlots ont été diffusés des îlots de type N+. - Une première couche d'oxyde isole la métallisation de grille G de la surface de la pastille entre les îlots N+ et le substrat. - Une deuxième couche d'oxyde isole la métallisation de grille de la métallisation de source S qui relie entre elles les diverses cellules élémentaires. 7.5 MODE DE FONCTIONNEMENT DU MOSFET. En électronique de puissance, le MOSFET est utilisé comme élément de commutation et par conséquent présente deux états distincts. 7.5.1 Processus de formation du canal. En l'absence de polarisation positive de la grille, le transistor est bloqué. Si on applique une tension Drain-Source VDS positive le courant de drain est théoriquement nul. Il correspond au très faible courant de fuite de la jonction PN0N+ polarisée en inverse. Lorsque, VDS étant positif, on polarise positivement la grille on peut rendre le transistor conducteur. Le champ électrique résultant qui apparaît dans la couche d'oxyde attire vers la surface du silicium les électrons minoritaires de la zone P et repousse les trous majoritaires. Gate Source SiO2 P N + Accepteurs ionisés Frontière de la zone de dépletion N - VGS1 Figure 7-4 : Formation du canal : Zone de déplétion Lorsque la tension Grille – Source VGS devient supérieure à une valeur appelée tension de seuil VGS(Th) (threshold voltage) de l'ordre de quelques volts, les électrons deviennent localement assez nombreux pour que la conductivité passe du type P au type N sur une épaisseur de quelques microns en dessous de la couche d'oxyde : il apparaît des canaux de type N entre les îlots N+ et la zone N0. Les électrons peuvent se déplacer dans ces canaux et donner naissance au courant direct de drain. La longueur des canaux est très faible. Leur largeur totale est très élevée car elle est égale au produit du périmètre d'une cellule par le nombre total de cellules; elle peut atteindre plusieurs mètres par cm2 de silicium. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (2) : LE MOSFET Page 4 CD:\ELP\Cours\Chap7 Gate Source SiO2 P N + Electrons libres N - VGS2 Gate Source SiO2 P N + Zone d'inversion N - VGS3 Apparition des électrons libres Apparition de la zone d'inversion Figure 7-5 : Formation du canal 7.5.2 Comportement à l'état ouvert. En l'absence de polarisation positive de la Grille, le MOSFET est bloqué. La tension Drain – Source peut croître jusqu'à la tension d'avalanche VBR(SS). Seul un petit courant de fuite circule dans le MOSFET. Le mécanisme d'avalanche trouve son origine dans plusieurs facteurs que nous n'étudierons pas ici. 7.5.3 Comportement à l'état fermé : caractéristique statique ID=f(VDS,VGS). Lorsque la tension Grille – Source est fixée à une valeur constante supérieure à VGS(Th) et que la tension VDD augmente, le courant de Drain ID augmente linéairement. Mais comme le montre la caractéristique ID=f(VDS,VGS) de la Figure 7-7, lorsque la tension VDS atteint un certain niveau, l'accroissement du courant de Drain ID diminue pour devenir quasi constant et indépendant de VDS. Pour comprendre ce phénomène, il faut observer la chute de tension VCS(x) due au passage du courant ID dans la zone d'inversion en fonction de la résistivité du canal et de la position x. Cette tension est donnée par la relation ) ( ) ( x V V x V ox GS CS − = 7.1 Ou Vox(x) est la tension Grille – Canal en fonction de la position x et donc la valeur maximum est donnée pour x=L. Pour de faibles uploads/Ingenierie_Lourd/ chap7-sc-de-puissance-le-mosfet-pdf.pdf