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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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Lire l’articleINTRODUCTION
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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Diodes Schottky
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1. Principes généraux
1.1 Composants unipolaires
La qualification d’unipolaire indique que le transport du courant est assuré par un seul des deux types de porteurs. Il s’agit des porteurs majoritaires de la région large et peu dopée qui, dans tous les cas, constitue le « cœur » d’un composant de puissance. Cette région, que nous désignons comme « base », dans un sens géné-rique (cf. article Tenue en tension des semi-conducteurs de puissance, § 1), mais qui peut recevoir, cas par cas, des appellations plus spécifiques, joue un rôle essentiel : elle offre à la charge d’espace de la jonction bloquante la place de se développer et détermine donc la performance de tenue en tension ; elle constitue, à l’état passant, une part importante de la résistance apparente du dispositif, d’autant que, en absence d’injection de porteurs minoritaires, il n’y a pas d’effet modérateur de modulation de conductivité. Le type N s’impose donc pour le matériau de base, afin de mettre à profit la plus grande mobilité des électrons, et les paramètres d’épaisseur et de dopage dont dépendent directement, mais dans des sens contraires, la tension blocable et le courant admis-sible doivent être déterminés de manière assez stricte 1.1.2.
En corollaire de l’absence de modulation de conductivité dans la région de base, on n’observe pas d’effet de stockage lié au transit des porteurs injectés, contrairement aux composants bipolaires. Les charges mobilisées en régime dynamique se réduisent à celles qui sont emmagasinées dans des capacités vraies, capacités de transition des jonctions et capacités des empilements métal-isolant-métal ou métal-isolant-semiconducteur. Les composants unipolaires sont donc intrinsèquement « rapides »,...
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