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THÈSE - Conception et réalisation de structures IGBTs bidirectionnelles en courant et en tension

 structures IGBTs bidirectionnelles
Tahir, Hakim
Sous la direction du :  Sanchez, Jean-Louis
Ecole doctorale: Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) - CNRS
Mots-clés libres : IGBT - IGBT bidirectionnel - Photolithographie double face - Soudure directe Si/Si - Intégration monolithique - Interrupteurs bidirectionnels
Sujets : Electricite, électronique, automatique


TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION GENERALE  

CHAPITRE 1 ETAT DE L’ART DES INTERRUPTEURS UNIDIRECTIONNELS ET BIDIRECTIONNELS COMMANDES EN TENSION 

I. INTRODUCTION 

II. LES INTERRUPTEURS DE PUISSANCE  

III. EVOLUTION DES STRUCTURES IGBTs UNIDIRECTIONNELLES EN COURANT 

III-1. IGBT UNIDIRECTIONNEL A TECHNOLOGIE PLANAR
III-1-1. IGBT NPT (Non Punch Through)
III-1-2. IGBT PT (Punch Through)
III-1-3. IGBT Field Stop (IGBT FS)
III-2. IGBT UNIDIRECTIONNEL A GRILLE EN TRANCHEES
III-2-1. Trench Gate IGBT (TIGBT)
III-2-2. IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor)
III-2-3. CSTBT (Carrier Stored Trench Bipolar Transistor)
III-3. AUTRES STRUCTURES IGBT DERIVEES DE L’IGBT A TECHNOLOGIE PLANAR
III-3-1. HiGT (High Conductivity IGBT)
III-3-2. SJBT (Super Junction Bipolar Transistor) 

IV. SYNTHESE DE LA FONCTION INTERRUPTEUR BIDIRECTIONNEL ENCOURANT ET EN TENSION  

IV-1. PAR ASSOCIATION D’ELEMENTS DISCRETS
IV-2. PAR UTILISATION DE STRUCTURES MONOLITHIQUES COMMANDEES PAR MOS
IV-2-1. Structures latérales
IV-2-2. Structures verticales 

V. STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE A BASE DE STRUCTURES IGBTCOMPLEMENTAIRES  

VI. L’INTEGRATION DE FONCTIONS AUXILIAIRES AVEC L’INTERRUPTEUR DEPUISSANCE  

VII. CONCLUSION  

CHAPITRE 2 ETUDE PAR SIMULATION D’UNE STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNEL  

I. INTRODUCTION  

II. STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 

II-1. STRUCTURE
II-2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 

III. TECHNIQUES DE REALISATION DE LA STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE  

III-1. TECHNIQUE BASEE SUR LA PHOTOLITHOGRAPHIE DOUBLE FACE
III-2. TECHNIQUE BASEE SUR LA SOUDURE DIRECTE SILICIUM SUR SILICIUM (SI/SI)
III-3. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE CHAQUE TECHNIQUE 

IV. SIMULATION DES STRUCTURES IGBTS BIDIRECTIONNELLES OBTENUES PARLES DEUX TECHNIQUES  

IV-1. STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE REALISABLE PAR PHOTOLITHOGRAPHIE DOUBLE FACE
IV-1-1. Etat bloqué
IV-1-2. Etat passant
IV-1-3. Phénomène de latch-up du thyristor parasite
IV-1-4. Temps d’ouverture de l’IGBT bidirectionnel
IV-2. STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE REALISABLE PAR SOUDURE DIRECTE SI/SI
IV-2-1. Impact de la durée de vie des porteurs minoritaires τ dans l’interface de collage sur les
caractéristiques électriques de la structure IGBT bidirectionnelle
IV-3. COMPARAISON DES PERFORMANCES DES STRUCTURES IGBT BIDIRECTIONNELLES SANS ET
AVEC COLLAGE
IV-3-1. Etat bloqué
IV-3-2. Etat passant
IV-3-3. Temps d’ouverture
IV-4. COMPARAISON DES PERFORMANCES DE LA STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE REALISABLE
PAR PHOTOLITHOGRAPHIE DOUBLE FACE AVEC CELLES D’UN IGBT UNIDIRECTIONNEL
IV-4-1. Etat bloqué
IV-4-2. Etat passant
IV-4-3. Temps d’ouverture  

V. PARAMETRES GEOMETRIQUES ET PHYSIQUES DES DEUX COMPOSANTS IGBTA REALISER  

VI. DEUXIEME STRATEGIE D’INTEGRATION
VII. CONCLUSION  

CHAPITRE 3 CONCEPTION DES MASQUES ET REALISATION TECHNOLOGIQUE  

I. INTRODUCTION  

II. CONCEPTION DES MASQUES 

III. REALISATION TECHNOLOGIQUE  

III-1. DESCRIPTION DES PRINCIPALES ETAPES DE LA FILIERE IGBT FLEXIBLE
III-2. TECHNIQUE DE PHOTOLITHOGRAPHIE DOUBLE FACE
III-2-1. Principe de réalisation
III-2-2. Technique d’alignement
III-2-3. Processus de fabrication du composant IGBT bidirectionnel
III-3. REALISATION DES IGBTS PAR LA TECHNIQUE DE SOUDURE DIRECTE SI/SI
III-3-1. Soudure directe Si/Si
III-3-2. Processus de fabrication de l’IGBT bidirectionnel par soudure directe Si/Si  

IV. DISPOSITIFS REALISES ET RESULTATS DE CARACTERISATIONS  

IV-1. DISPOSITIFS IGBT REALISES
IV-2. CARACTERISATION DES IGBTS REALISES PAR LA TECHNIQUE DE PHOTOLITHOGRAPHIE
DOUBLE FACE
IV-3. CARACTERISATION DES DIODES REALISEES PAR COLLAGE
IV-4. STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE REALISEE PAR SOUDURE SI/SI
V. CONCLUSION  

CHAPITRE 4 ETUDE PAR SIMULATION D’UNE STRUCTURE IGBT BIDIRECTIONNELLE A ELECTRODES COPLANAIRES  

I. INTRODUCTION  

II. STRUCTURE ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 

II-1. STRUCTURE
II-2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ET CIRCUIT EQUIVALENT
II-2-1. Rôle de la tranchée 

III. ETUDE PAR SIMULATION DU FONCTIONNEMENT DE LA STRUCTURE 

III-1. TENUE EN TENSION
III-1-1. Tenue en tension en fonction de l’épaisseur du substrat N-
III-1-2. Impact des paramètres géométriques de la tranchée
III-1-3. Amélioration de la tenue en tension
III-1-4. Impact de la largeur de la plaque de champ WFP sur la tension de blocage
III-2. ETAT PASSANT
III-2-1. Simulation de la structure entière
III-2-2. Fonctionnement de la demi-structure en mode thyristor
III-2-3. Fonctionnement de la demi-structure en mode DMOS/IGBT
III-2-4. Comparaison des caractéristiques I(V)
III-2-5. Impact des paramètres géométriques de la tranchée sur le fonctionnement à l’état passant
III-2-6. Importance du choix du nombre de cellules IGBT pour les simulations
III-3. ETUDE DE LA STRUCTURE EN COMMUTATION
III-3-1. Estimation des pertes sur un cycle de commutation
III-3-2. Durée et phases d’amorçage de la structure  

IV. ETUDE DE LA FAISABILITE TECHNOLOGIQUE DE LA STRUCTURE 

IV-1. CONCEPTION DES MASQUES
IV-2. ETUDE PRELIMINAIRE EN VUE D’UNE REALISATION TECHNOLOGIQUE
IV-2-1. Proposition de réalisation n°1
IV-2-2. Proposition de réalisation n°2
IV-2-3. Avantages et inconvénients de chaque proposition de réalisation
V. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 


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Ditulis oleh: younes younes - mardi 30 octobre 2012

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