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Auteur(s)
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Philippe LETURCQ : Professeur à l’Institut National des Sciences Appliquées deToulouse - Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes du CNRS (LAAS)
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Dans les composants semi-conducteurs unipolaires, le transport du courant est assuré par les seuls porteurs majoritaires de la région de « base » large et peu dopée qui confère aux dispositifs leur tenue en tension. Cette région de base n’est donc pas modulée en conductivité ; aussi le « compromis » de performances offert entre tension bloquée et courant passant est-il a priori moins favorable, pour une même surface de cristal, que pour les composants bipolaires.
Par contre, en l’absence de phénomènes de stockage de porteurs minoritaires, les composants unipolaires sont intrinsèquement plus rapides. Deux avantages connexes doivent être soulignés :
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une très forte résistance d’entrée des dispositifs commandés (transistors), grâce à la possibilité de contrôler le flux de porteurs majoritaires par effet de champ (effet de champ de jonction, effet de champ Métal-Oxyde- Semiconducteur) ;
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une grande stabilité thermique latérale sous polarisation directe, en raison du coefficient de température négatif de la mobilité des porteurs ; cette stabilité autorise la réalisation de composants de fort calibre en courant, avec une grande surface active, par intégration parallèle de cellules élémentaires.
Les possibilités des effets unipolaires et bipolaires apparaissent complémentaires. Leur association dans des structures de composants hybrides offre des degrés de liberté supplémentaires dans l’arbitrage des compromis de performances entre tenue en tension, capacité en courant, temps et pertes de commutation. L’exemple le plus important industriellement est l’IGBT (Insulated-Gate-Bipolar -Transistor) mais bien d’autres dispositifs « mixtes », aux potentialités variées, apparus au cours des deux dernières décennies, procèdent de cette démarche.
La répartition en deux articles des analyses relatives aux composants unipolaires et mixtes est motivée uniquement par des contraintes de place. Il s’agit en réalité d’un ensemble.
le lecteur se reportera, pour les notions préalables, à l’article Physique des semi-conducteurs de puissance « Physique des semi-conducteurs de puissance » ainsi qu’à l’article Tenue en tension des semi-conducteurs de puissance qui traite de la « Tenue en tension des semi-conducteurs de puissance » ; le lecteur aura également intérêt, pour ce qui touche aux composants « mixtes » à consulter les articles Composants semi-conducteurs de puissance bipolaires. Partie 1 et Composants semi-conducteurs de puissance bipolaires. Partie 2 relatifs aux « Composants semi-conducteurs de puissance bipolaires », notamment les paragraphes 1.1 à 1.6 de Composants semi-conducteurs de puissance bipolaires. Partie 1.
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Transistors à effet de champ de jonction et composants dérivés
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2. Diodes Schottky
2.1 Structure type
Les diodes Schottky mettent en jeu les propriétés de redressement des contacts métal-semiconducteur du même nom. Au contraire des contacts ohmiques, ceux-ci sont réalisés avec un choix de matériaux tels qu’une charge d’espace dépeuplée se trouve établie dans le semi-conducteur, au voisinage du contact (cf. Physique des semi-conducteurs de puissance, § 2.2).
Pour les diodes de puissance, les couples constitués de silicium modérément dopé de type N (de quelques 1014 à quelques 1015 cm−3 selon la tension blocable visée) et de métaux ou alliages à fort travail de sortie (platine, molybdène, tungstène, platine-nickel...) déterminent, après traitement thermique (formation de siliciures), une barrière de potentiel dont la hauteur ΦB, vue du métal, est de l’ordre de 0,7 à 0,9 V selon les cas. La tension de diffusion Φ qui lui correspond dans le semi-conducteur, c’est-à-dire la différence de potentiel Ψ(x) que supporte la charge d’espace dans les conditions d’équilibre thermodynamique, est typiquement de l’ordre de 0,4 à 0,6 V à 300 K (figure 9). Cette tension de diffusion dépend en premier lieu, de ΦB, mais aussi du dopage du semi-conducteur et de la température. Des considérations d’équilibre analogues à celles qui permettent le calcul de la tension de diffusion d’une jonction PN (cf. Physique des semi-conducteurs de puissance...
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