Transistor en carbure de silicium

Les dispositifs de puissance en carbure de silicium jouent un rôle essentiel dans l'amélioration de l'efficacité énergétique des véhicules électriques grâce à leurs excellentes propriétés matérielles.

Dans sa forme pure, le carbure de silicium se comporte comme un isolant ; cependant, lorsqu'il est dopé avec des impuretés (dopants), il peut se transformer en semi-conducteur électronique. Les dopants utilisés à cette fin comprennent l'azote ou le phosphore pour une utilisation de type n, tandis que l'aluminium, le bore ou le gallium peuvent le transformer en matériau semi-conducteur de type p.

Rupture de haute tension

Les dispositifs semi-conducteurs en carbure de silicium sont de plus en plus considérés comme un substitut approprié aux dispositifs en silicium dans les applications d'électronique de puissance impliquant des températures ou des tensions élevées, en particulier lorsque des tensions ou des températures élevées sont impliquées. Cela est dû à l'intensité exceptionnellement élevée du champ électrique de rupture, qui signifie qu'ils peuvent supporter des flux de courant beaucoup plus importants que leurs homologues en silicium, tout en résistant à une tension jusqu'à 10 fois supérieure à celle des MOSFET, ce qui est idéal pour les circuits à haute tension utilisés dans les véhicules électriques et les satellites.

Les NTC se distinguent par leur plus grande bande interdite, qui est environ trois fois supérieure à celle du silicium (1,1 eV), ce qui permet aux électrons d'entrer plus facilement dans la bande de conduction pour conduire l'électricité et rend les courants de fuite des jonctions moins probables - des attributs essentiels dans les dispositifs conçus pour fonctionner de manière fiable à des températures plus élevées.

Le carbure de silicium se targue d'une tension de claquage plus élevée en raison de sa couche de déplétion plus fine. Cela permet à un plus grand nombre de porteurs libres de passer, ce qui augmente la densité du courant et permet d'avoir des transistors plus petits qui nécessitent moins d'énergie, ce qui augmente l'efficacité et diminue la production de chaleur.

L'un des principaux inconvénients de la technologie du carbure de silicium est son coût relativement élevé. Mais les chercheurs ont mis au point une technique peu coûteuse pour produire des interrupteurs de puissance en carbure de silicium qui rendent ce matériau viable dans les applications à haute tension.

Ils y sont parvenus en appliquant une nouvelle technique pour combiner des dispositifs unipolaires et bipolaires dans une même structure - connue sous le nom de diodes pin-Schottky fusionnées ou diodes MPS - ce qui leur a permis de comparer les caractéristiques des jonctions épitaxiées et implantées ; les diodes épitaxiées se sont révélées plus stables en raison de leur résistance au courant inverse plus élevée à haute température (RDS(ON)).

Le carbure de silicium pourrait bientôt être plus largement utilisé dans les applications d'électronique de puissance, ce qui serait bénéfique à la fois pour l'économie et pour l'environnement. Bien que le carbure de silicium soit déjà utilisé dans certaines applications telles que les émetteurs de lumière LED et les détecteurs des premières radios, son vaste potentiel signifie qu'on pourrait bientôt le trouver partout, des véhicules électriques terrestres aux instruments des rovers explorant Vénus ou aux sondes conçues pour survivre à ses températures extrêmes.

Haute densité de courant

Le carbure de silicium est un matériau extrêmement dur et dense qui présente plusieurs caractéristiques contribuant à son succès en tant qu'élément des dispositifs semi-conducteurs. L'une de ces caractéristiques est son champ électrique de claquage élevé, qui permet aux dispositifs fabriqués avec ce matériau de tolérer des densités de courant beaucoup plus élevées que celles qui seraient possibles avec des dispositifs en silicium, ce qui permet des applications à haute puissance et des temps de commutation plus rapides pour des charges plus importantes. En outre, sa faible résistance à l'enclenchement se traduit par une réduction des pertes, ce qui est particulièrement avantageux lors de la conception de convertisseurs de puissance ou d'autres dispositifs similaires.

Les transistors en carbure de silicium présentent des tensions de claquage élevées qui leur permettent de fonctionner à des températures plus élevées que les autres semi-conducteurs, ce qui les rend très utiles dans les applications à haute température telles que l'alimentation des véhicules électriques ou l'équipement utilisé dans les missions spatiales. En contribuant à réduire la production de chaleur dans ces dispositifs, ils peuvent améliorer l'efficacité tout en augmentant la fiabilité.

Le carbure de silicium est reconnu depuis longtemps comme un matériau semi-conducteur capable de conduire l'électricité lorsqu'il est dopé avec certaines impuretés, mais les dispositifs de qualité commerciale fabriqués à partir de ce matériau n'ont été réalisés que récemment en raison de la formation de sa cristallinité en plus de 150 polytypes, ce qui rend la croissance adaptée à la fabrication de dispositifs électroniques plus difficile qu'on ne l'avait prévu.

Pour créer ces nouveaux semi-conducteurs de puissance, une technique de traitement unique a été employée. Pour ce faire, on a utilisé des faisceaux d'ions carbone suivis d'une oxydation thermique ou les deux processus en tandem afin de réduire la densité des défauts de vacance du carbone.

Les dispositifs SiC présentent généralement une structure de transistor unipolaire avec une anode métallique ou une diode p+n montée sur sa couche supérieure et une couche n (région de blocage de tension) connectée à un substrat à faible résistance qui permet au courant de circuler lorsque les conditions de polarisation sont positives, tout en bloquant tout courant dans des conditions de polarisation négatives. Cette disposition permet au courant de passer en cas de polarisation positive, mais l'empêche totalement en cas de polarisation négative.

Faible résistance à l'enclenchement

Le carbure de silicium (SiC) est bien connu en tant que matériau abrasif et composant utilisé dans les céramiques des gilets pare-balles, mais ses propriétés semi-conductrices en font également un remplaçant potentiel des dispositifs à base de silicium dans les applications d'électronique de puissance. Les dispositifs en carbure de silicium présentent des capacités de tension de blocage élevées, des temps de commutation rapides et une faible résistance à l'enclenchement qui contribuent à réduire les pertes lorsqu'ils sont utilisés dans des applications telles que les onduleurs de traction des véhicules électriques et les chargeurs embarqués.

Les caractéristiques électriques du carbure de silicium sont depuis longtemps reconnues comme supérieures à celles des semi-conducteurs traditionnels à base de silicium. En particulier, ce matériau à large bande interdite présente un point de fusion extrêmement élevé, une faible constante diélectrique et une intensité de champ de claquage extrêmement élevée, ainsi qu'une vitesse de dérive des électrons saturés et une conductivité thermique élevées, ce qui en fait un candidat de choix pour la production de dispositifs électroniques à semi-conducteurs.

Cependant, jusqu'à récemment, les dispositifs de qualité commerciale fabriqués à partir de carbure de silicium restaient un objectif insaisissable en raison de la grande diversité de ses polytypes ; la création de grands monocristaux et de films minces nécessaires à la fabrication de MOSFET s'est avérée extrêmement difficile.

Cree et d'autres entreprises ont pu réaliser une percée dans la technologie du carbure de silicium avec l'introduction de l'injection de grille. Ce procédé permet de piloter les dispositifs avec un courant de grille plus faible, réduisant ainsi la dépendance de la température de leur résistance à l'état passant tout en améliorant les performances.

Ainsi, les MOSFET peuvent être conduits en toute sécurité à des tensions de fonctionnement plus élevées sans subir d'augmentation de la résistance à l'état passant ou d'effets parasites tels que les fuites d'oxyde de grille - ce qui présente des avantages significatifs par rapport aux IGBT et transistors bipolaires conventionnels, qui nécessitent un déclassement lorsqu'ils sont conduits au-delà de leurs valeurs nominales.

UnitedSiC a rejoint la famille d'entreprises de Qorvo en novembre 2021, fournissant des FET en carbure de silicium à faible résistance à l'enclenchement de 750V/6mOhm qui offrent des gains d'efficacité essentiels pour les applications de haute puissance telles que les onduleurs de traction des véhicules électriques (EV), la conversion d'énergie industrielle et les systèmes d'énergie renouvelable. Ces FET permettent aux concepteurs de réduire la taille, le poids et la complexité des systèmes tout en améliorant la densité de puissance et la fiabilité - des caractéristiques essentielles pour la conception.

Large bande passante

Le silicium est l'un des semi-conducteurs les plus utilisés pour les appareils électroniques. Mais comme il approche de ses limites dans les applications à haute puissance, deux dispositifs semi-conducteurs composés offrent des solutions : les transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) et en carbure de silicium (SiC). Chacun présente des avantages uniques qui en font d'excellentes alternatives aux IGBT et aux MOSFET standard dans les circuits de conversion d'énergie.

Les semi-conducteurs composés présentent des propriétés de large bande interdite qui leur permettent de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées que leurs homologues à base de silicium. Le terme "large" fait référence à un écart énergétique entre les bandes de valence et de conduction, qui est environ trois fois plus large que l'écart de 1,12eV du silicium, ce qui permet aux dispositifs dotés de cet écart plus large de supporter des tensions et des courants plus élevés sans problèmes d'interférence d'activation thermique.

Le GaN et le SiC peuvent fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées, ce qui leur permet de réduire les pertes de puissance et d'accroître l'efficacité des circuits électroniques. Le GaN et le SiC présentent également des niveaux de tolérance à la tension dix fois supérieurs à ceux du silicium, ce qui les rend bien adaptés à des applications telles que les commutateurs unipolaires rapides.

Ces semi-conducteurs bénéficient de bandes interdites plus larges qui permettent de fabriquer des plaquettes plus fines que les dispositifs traditionnels en silicium, ce qui entraîne une résistance à l'état passant plus faible et une augmentation du champ de claquage critique de leurs dispositifs. En outre, ce champ critique plus important permet à des dispositifs de tension nominale égale avec des dispositifs plus petits d'atteindre une tension nominale donnée de manière plus rentable et de réduire la taille des convertisseurs de puissance dans leur ensemble.

L'augmentation de la demande de véhicules électriques s'accompagne de la nécessité de disposer de systèmes électroniques de puissance fiables, capables de traiter et de convertir l'énergie électrique en énergie utilisable. Si les semi-conducteurs à base de silicium ont leurs limites lorsqu'ils sont utilisés comme composants de circuits de conversion d'énergie, de nouveaux développements ont élargi les possibilités offertes par les semi-conducteurs à large bande interdite.

Ces nouvelles technologies rendent les systèmes de conversion d'énergie nettement plus petits et plus efficaces que jamais. Cree a récemment dévoilé le premier module de puissance SiC MOSFET à six packs dans un boîtier standard de 45 mm, réduisant la perte de puissance de 75% tout en augmentant la densité de puissance de 50% et en réduisant le coût total du système de 70%.