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Article

1 - PHYSIQUE DU SEMI-CONDUCTEUR EN ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

2 - PHÉNOMÈNES PHYSIQUES MIS EN JEU DANS LES COMPOSANTS À SEMI-CONDUCTEUR DE PUISSANCE

3 - COMPOSANTS À SEMI-CONDUCTEUR DE PUISSANCE FONDAMENTAUX

4 - COMPOSANTS DE PUISSANCE EN MATÉRIAU À LARGE BANDE INTERDITE

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : E3960 v2

Composants à semi-conducteur de puissance fondamentaux
Introduction aux composants de microélectronique de puissance

Auteur(s) : Luong Viêt PHUNG

Date de publication : 10 juin 2019

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RÉSUMÉ

La microélectronique de puissance est une branche de la microélectronique qui s’intéresse à la conception et à la fabrication de composants à semi-conducteur destinés à des applications parfois forte tension et/ou fort courant. La microélectronique de puissance a vu pendant plusieurs dizaines d’années des technologies qui lui sont propres se développer, permettant de répondre aux exigences énergétiques de demain. Cet article présente les mécanismes physiques de quelques composants fondamentaux issus des technologies en question.

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ABSTRACT

Introduction to power microelectronic devices

Power microelectronic can be summarized as a subdomain of the huge microelectronic industry. By focusing on achieving high voltage and high current devices, it has overcome its own challenges and developed its own technologies to cope with the future evolutions linked to the switch from fossil to renewable energies. The present article summarizes the physics of some of the most widespread power devices.

Auteur(s)

  • Luong Viêt PHUNG : Maître de conférence des universités - Département de Génie Électrique de l’INSA de Lyon, - Chercheur au laboratoire Ampère, UMR CNRS 5005, Campus Lyon Tech-La Doua, Villeurbanne, France

INTRODUCTION

À l’aube de la transition énergétique, accélérée par la raréfaction des ressources en énergie fossile et à la prise de conscience liée aux enjeux environnementaux et écologiques, acheminer aux clients l’énergie électrique sur de longues distances à partir de multiples sources renouvelables (ou pas) imposent des défis dans la conversion de puissance où les composants actifs de puissance jouent un rôle essentiel.

L’acheminement en HVDC (courant direct, très haute tension) exige des convertisseurs dont les tensions de travail pourront avoisiner 10 kV et oblige à repenser leurs architectures. Ces convertisseurs reposent sur des interrupteurs de puissance réalisés à partir de matériaux semi-conducteurs. Leur étude relève de la microélectronique de puissance. Ayant les mêmes racines que la microélectronique de signal, la microélectonique de puissance a évolué de son côté avec le développement de ses propres technologies. Ainsi, il n’existe pas d’IGBT pour l’électronique de signal tout comme les superjonctions y ont un intérêt plus que limité.

Alors que le microélectonique de signal privilégiait la miniaturisation des composants en réduisant toujours plus la « finesse » de gravure des composants, la microélectronique de puissance, celle privilégiant l’acheminement de l’énergie électrique jusqu’aux foyers des consommateurs, a toujours recherché des composants supportant des tensions bien plus élevées (jusqu’à plusieurs milliers de volts). Le but a toujours été de parvenir au meilleur compromis entre la tension à supporter et la densité de courant admissible (jusqu’à 100 A.cm−2) en essayant de privilégier des composants verticaux qui pouvaient tirer profit de tout le volume du substrat semi-conducteur se lequel ils reposent.

Réalisés ainsi à partir de matériaux semi-conducteurs, ces composants seront toujours tributaires de leurs propriétés physiques, ce qui explique les limitations en performances telles que des tensions d’avalanche limitées par des champs électriques critiques insuffisants ou des résistances à l’état passant toujours trop élevées à cause du compromis entre l’état passant et l’état bloqué.

Cet article présente les principaux rouages des diodes bipolaires, des transistors de type bipolaire commandé en courant, puis des transistors de type MOSFET et IGBT commandés en tension. Les phénomènes d’avalanche et de conduction sont abordés en fonction de la topologie de la structure et des mécanismes qui seront mis en œuvre. Cet article se termine par un résumé sur le développement de matériaux à large bande interdite communément appelés martériaux semi-conducteurs à grand gap. Ayant des propriétés physiques en tout point supérieures à celles du silicium, les composants dits à grand gap sont déjà commercialisés, notamment ceux en carbure de silicium (SiC) et en nitrure de gallium (GaN). Le développement de ces technologies et leurs défis sont passés en revue.

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KEYWORDS

power electronics   |   semi-conductors device physics   |   bipolar diodes and transistors   |   MOSFET and IGBT

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e3960


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3. Composants à semi-conducteur de puissance fondamentaux

3.1 Diodes bipolaires

Élément « le plus simple » fonctionnellement des dispositifs actifs de l’électronique de puissance, la diode bipolaire affiche une conception et un fonctionnement reflétant souvent les défis rencontrés par l’industrie de l’électronique de puissance tant du point de vue système (pertes en conduction et en commutation liées au phénomène de recouvrement inverse, tension d’avalanche, courant de fuite), que du point de vue technologique (terminaison de jonction, qualité des contacts, pureté du matériau semi-conducteur). La diode sert souvent de démonstrateur pour prouver la faisabilité de réalisation d’un composant électronique sur un nouveau matériau. Les diodes bipolaires, à l’opposé des diodes Schottky, bénéficient du phénomène de modulation des porteurs qui leur permettent d’atteindre des densités de courant plus élevées, les rendant, ainsi plus aptes aux applications de haute puissance.

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3.1.1 Structure type

La structure classique d’une diode est de type P+NN+ ou PIN. Elle est munie de deux émetteurs que sont l’anode typiquement de type P (p+) et la cathode en face arrière typiquement de type N (n+) – séparés par une zone, la base – où vient s’étaler la zone de charge d’espace lorsque la jonction est dans un état bloqué (figure 2).

Cette région de base de dopage est comparativement moins dopée et plus épaisse que les autres régions de la diode, car c’est elle qui définit la tenue en tension inverse. On peut communément admettre qu’une forte épaisseur et un faible dopage permettent d’augmenter la tension d’avalanche au détriment de la densité de courant à l’état passant.

La région n+ est en réalité très épaisse, de quelques centaines de micromètres, afin de garantir la tenue mécanique de la plaquette. Son dopage, très élevé (aux alentours de 1019 atomes.cm−3), lui confère une résistance négligeable comparée à celle assurant la tenue en tension (n).

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ROULSTON (D.J.) -   Bipolar Semi-conductor devices.  -  McGraw-Hill Education (1990).

  • (2) - BALIGA (B.J.) -   Power semi-conductor devices.  -  Springer Science & Business Media (1996).

  • (3) - NIU (S.) -   Conception, optimisation et caractérisation d’un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium.  -  Thèse de l’Université de Lyon (2016).

  • (4) - OUAIDA (R.), BERTHOU (M.), LÉON (J.), PERPINA (X.), OGE (S.), BROSSELARD (P.), JOUBERT (C.) -   Gate Oxide Degradation of SiC MOSFET in Switching Conditions.  -  IEEE ELECTR DEVICE L, Vol. 35 (2014).

  • (5) - BUTTAY (C.), OUAIDA (R.), MOREL (H.), BERGOGNE (D.), RAYNAUD (C.), MOREL (F.) -   Thermal Stability of Silicon Carbide Power JFETs.  -  IEEE Trans. On Electron. Dev., Vol. 60 (2013).

  • (6)...

1 Outils logiciels

Analog Devices, novembre 2018, LTSpice (versions pour Windows 7, 8 et 10 et macOS 10.7 +), https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html (Logiciel).

Synopsys, Août 2018, Sentaurus TCAD (versions pour x86_61 RHEL Enterprise (64 https://www.synopsys.com/silicon/tcad.html) (Logiciel).

Cadence , Circuit design, https://www.cadence.com/content/cadence-www/global/en_US/home/tools/custom-ic-analog-rf-design/circuit-design.html

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2 Événements

SGE (Symposium du Génie Électrique) a lieu tous les deux ans ( https://www.sge-conf.fr).

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3 Annuaire

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