Physique des composants à semiconducteurs (puissance, T)
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Intégration des composants de puissance Physique des composants à semiconducteurs (puissance, T) Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 40 Physique des composants à semiconducteur Reférences B. J. BALIGA, Modern Power Devices, Krieger, Florida H. Mathieu, Physique des semiconducteurs et des composants électroniques, Masson, Paris Martin Lades, Modeling and Simulation of Wide Bandgap Semiconductor Devices: 4H/6H-SiC, PhD, Munich Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 41 Physique des composants de puissance à semiconducteur IV Classification périodique, B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr chimie (le russe Dimitri Mendeleïev) Ni Pd Ag Cd In Pt Sn Sb Te I Au Hg Th Pb Bi Conducteur Po At Xe Rn Semiconducteur Isolant Cu, Ag, Al, Si, SiC, GaN, Diamant, AlN, Si 3N4, SiO2 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 42 électron libre Les forces de Coulomb deviennent très faibles. C'est un électron libre ! Il ne tourne plus autour d'un atome ou de 2 atomes. Excitation = apport d'énergie Un électron = une charge Il reste une charge + ! Un trou ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 43 Semiconducteur ? Effet de moyenne sur un nombre important de maille e- Donc un semiconducteur = de nombreuses mailles ! Si la structure est trop petite: fin de la loi de Moore ! Électronique moléculaire Moyenne => équations des semiconducteurs Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 44 Interface d'un semiconducteur e- Force de repulsion ! Affinité électrochimique = Evide - Eréseau Diode schottky, contact ohmique Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 45 Bande interdite E Bande de conduction (électrons libres) Bande interdite Ec =Ec p Eg E G =q U G p =h k Bande de valence (trous) n i =2 2 m e m cv k B T h2 3 2 −U G exp 2 uT sc Si SiC-4H GaN Diamond 2 T U G =U G0 − T U 0 (V) α β (°K) -4 1,17 4,73 x 10 636 3,26 3,3 x 10-4 0 3,613 x 10-4 0 G 5,46 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 46 Impuretés dopantes III IV V B C N Al Si P Ga Ge As In Type P Type N B, Al N P, As Sn Sb Type P = accepteur, Type N = donneur Activation = f(T) a Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 47 Génération recombinaison Mécanismes de générationrecombinaison de paires électron-trou SRH (Shockley-Read-Hall), un piège intermédiaire. Auger (électron + trou), surtout à forte densité de porteurs U=USRHU auger U avalanche Avalanche ... USRH = pn−n 2i p n n p0 n i n = concentration en électrons, p = concentration en trous, ni = concentration intrinsèque , τn = durée de vie des électrons, τp = durée de vie des trous, τ0 = constante de temps de génération dans une zone désertée, Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 48 mobilité 1 1 =∑ i n = q nm mn La mobilité résulte de plusieurs phénomènes de frottement (collisions). Les fréquences s'ajoutent ... un = n E (Modèle de Caughey-Thomas) = LF 1 LF E 1 v SAT 0300 LF = T 300 ND 1 T CR mat (cm2/V/s) Si SiC-4H GaN µ300n0 1400 1000 900 µ300p0 471 115 850 un vSAT Diamant 1900 1600 E Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 49 Équations des semiconducteurs électrique div E= conservation du nombre dérive-diffusion E=− grad =q p−n ∂n −q div J n =q U ∂t Medici, ∂p q div J p =−q U Dessis, ∂t Sentaurus J n =q n n Eu T grad n J p =q p p E−u T grad p Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 50 Dérive-Diffusion n u T grad Jn =q n n E dérive diffusion R. U. R. U. Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 51 Solution exacte = résistivité équilibre thermodynamique État statique, sans déplacement de porteurs la neutralité électrique, L'équilibre des concentrations, =q p−n=0 pn=ni2 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 52 Résistivité d'une couche A l'équilibre p 0 n 0=n 2i n 0≃N D n 2i p0 ≃ ND neutre =0=q p 0−n 0 p0 ≃N A n 2i n 0≃ NA minoritaire majoritaire R N= 1 L q n N D S R P= 1 L q p N A S 1013 cm-3 < NA, ND < 1020 cm-3 Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 53 Intégration des composants de puissance La jonction PN et la diode PiN Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 54 Jonction PN - biblio références B. J. BALIGA, Modern Power Devices, Krieger, Florida H. Mathieu, Physique des semiconducteurs et des composants électroniques, Masson, Paris Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 55 La diode PiN (P+NN+) P+ N N+ Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 56 La jonction PN P Zone de Charge d'Espace P N - + - + N Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 57 Modèle de Shockley Cathode anode i Approximation: désertion complète (Shockley modèle) v -xA E xD Hypothèse de désertion: n,p << |Γ| hauteur de barrière de potentiel d'une ZCE. -EM ξA v ψ ξA uB vA u B = x D − x A vD N A x A =N D xD u B= w=x Ax D q N A x 2A N D x 2D 2 Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 58 Modèle jonction P+N si la jonction est asymétrique, NA >> ND. u B= q ND w2 Em = 2 q ND w La jonction pn est faiblement déséquilibrée ! v BI =u T log v= v BI − u B Dans la ZCE pn=n 2i exp N A ND n 2 i v uT Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 59 Jonction PN : rôle de T v BI =uT ln Na Nd n 2i ni =n 300K i 3 2 uT uT300K −U G exp 2uT uT Na Nd v BI =uG uT ln −3 ln 300K 300K ni uT v BI ≈uG VBI ~ 1V pour le silicium, 3V pour le SiC Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 60 La diode PIN Simulation : le profile de dopage Γ(x) couche diffusée P+ couche épitaxiée N substrat N+ x la jonction PN Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 61 La diode PIN Simulation : la ZCE à l'équilibre (x) p(x) n(x) ZCE désertion ? Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 62 Simulation : la ZCE et le champ Champ électrique triangulaire Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 63 Simulation : la ZCE et uB uB w Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 64 La diode PIN Simulation : la ZCE et v = vBI - uB n=n i exp uT v=v BI −u B n=N D M2 vA ND =u T ln ni uB M1 vc NA =−ln ni Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 65 La diode PIN en polarisation inverse vc v = vBI – uB = -10 V uB vA M1 M2 Courants de fuite En polarisation inverse ... Courant de diffusion q D p S n 2i is= LDp N D courant de génération: q n i S 2 u T v BI−v iG= 0 q ND uT soit iR ∝ v R Qp v i= =iS exp −1 p uT i v Rôle de la température ! Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 67 tenue en tension Avalanche par ionisation U ion = p p∥vp∥ n n∥vn∥ vitesse d'ionisation porteurs chauds ? (!) tenue en tension de la diode PIN WB ND Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 69 en direct La diode PIN en polarisation directe v = vBI – uB ~0,5 V ZCE Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 70 La diode PIN La diode PIN en forte injection en forte injection ZCE v = vBI – uB ~1 V p=n > ND ND Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 71 la diode PIN en forte injection (zone neutre !) n=p >> ND USRH = =n p 2 p n−n i n p p n 0 n i D= 2 n p n p uT équation de diffusion ∂p p ambipolaire =div D grad p− ∂t Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 72 la diode PIN en forte injection équation de diffusion ambipolaire ∂p p =div D grad p− ∂t chute de tension u FI=r FI iu D très faible: qq 10mV une diode PIN a une chute de tension proche de Ug ! quelque soit le calibre en tension ! mais ... lent = recouvrement de la charge Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 73 Conclusion sur la diode PIN tenue en tension v BR T , N D , W B chute de tension à l'état passant d v ON T ,S , W B , , ~EG T dx rapidité t RR T , , S , N D , W B Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org 74 IGBTs & Superjunction MOSFETs IGBTs They are very near the silicon limits Trench IGBTs have clearly reduced the OnLosses Low cost 1200 V applications Low Short-Circuit Robustness (175 °C) Field Stop Trench IGBT Fairchild 2008 Superjunction MOSFETs – Low RON – Some improvements are still possible – Fine pitch technologies required (Cost) – Low Short-Circuit Robustness (175 °C) 2009 75 75 Ampère Lab CNRS Associated Lab 5005 Electrical Engineering, Electromagnetism, Control, Environmental Microbiology and Applications Le carbure de silicium, SiC et les matériaux à grands gaps WBG1 WBG1 = Wide Band Gap Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 76 Pourquoi un intérêt pour le SiC ? Matériaux « grand gap » (meilleur isolant) Si-diamant (1,12 eV), SiC-4H (3,26 eV), GaN (3,36 eV), C-diamant (5,47 eV) Diamant: le matériau ultime! Photo-switch, diode schottky. GaN SiC Croissance sur Si, SiC, Saphir composants unipolaires 600V à 1200 V ( Intégration de surface !) Phase de commercialisation Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 77 La bataille des technologies Grand gap ou silicium ? silicuim : superjunction ou trench IGBT SiC : faibles pertes, haute température, haute tension – GaN : faibles pertes, faibles coût 600V 1200V > 2000V Si-Superunction SiC GaN Si-IGBT SiC GaN SiC L. Lorentz, INFINEON, SiC & GaN Forum, Birmingham, 2011 78 78 Tenue en tension: jonction PiN WB ND Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 79 Tenue en tension: jonction PiN WB ND Compromis Von (Ron) VBR ! Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 80 Résistance spécifique Si M W BM V BR N= q n N DM V BR ET F S O COOLMOS INFINEON JFET CREE MOSFET FAIRCHILD BJT SEMISOUTH JFET 1200 V 600 V IR GaN HEMT Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 81 Unipolaire ou bipolaire ? On-current, i Device R-like Slow Diodelike Fast Diodelike V ON (T) Schottky EB (T) r EPI (T)+... # jun c. switchin g 0 Unipolar Bipolar PIN UG (T)−... r N , i , T 1 IGBT UG (T)−... r N , i , T 1 or mixte 3 BJT 0 r N , i , T 2 Bipolar JFET 0 r EPI (T)+... 0 Unipolar MOSFE T 0 r EPI T... 2 Unipolar On-voltage,v v=V ON ( T)+R ON (T , i) i R ON (T , i) Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 82 Pertes à l'état passant Diodes, IGBT … Parallélisation peu intéressante Composants sans seuil Densité de pertes QON QON ≃ 2 G U ON VBR Limite d'intérêt unipolaire / bipolaire Power Density QON (W/cm²) Composants à seuil GaN SiC Si IGBT INFINEON JFET INFINEON HEMT IR CoolMOS 600 1200 Voltage VBR (V) Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 83 Emballement thermique de la jonction PN Tenue en Temperature n i T N D V BR Emballement thermique du semiconducteur Emballement thermique du composant (RTH) Circuits intégrés SOI Haute température (drivers) Circuits intégrés GaN & SiC Haute température (drivers) Robustesse en courtcircuit des composants SiC Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 84 Emballement thermique jonction PN Les composants en silicium Tenue aux surcharges SOI – 80V 220°C COOLMOS 600V VDMOS 600VIGBT 1.2kV ->200°C 175°C IGBT 6kV 125°C Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 85 Applications hautes températures T =T J −T A =RTH P Ambiance à haute température Avionique Forage ... T A ⇒T J ⇒ Augmentation de la densité de pertes P ⇒TJ ISP Diminution du système de refroidissement embarqué RTH ⇒ T J Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 86 Etat de l'art des composants de puissance en SiC composant IMAX VMAX Schottky 20 A 1,2 kV – 10 kV Diode PiN 100 A 20 kV MOSFET 10 A 1,2 kV – 10 kV JFET 20 A 1,2 kV - 9kV BJT 20 A 1,2 kV – 5 kV Th/GTO 50 A 6,5 kV – 13 kV IGBT 10 A 13 kV Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 87 Mesures en mode onduleur Electronique de puissance haute température Four à air pulsé SMI Plaque à eau Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 88 Electronique de puissance haute température Vout Iout Tj ≥ 300°C 365V 1A FMLI = 100kHz, Fs = 10kHz Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 89 Vers l'onduleur HT Fiabilité: assemblage + packaging ! Condensateurs: 200°C (film, céramique) Composants magnétiques: 300°C -> 500°C (composant nano) Drivers: -40V, normalement passant Sécurité: normalement passant ! Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 90 Électronique de puissance très haute tension Composants 15kV -> 30kV Bipolaire (BJT), diode PIN, Thyristor ... USA: IGBT 15 kV Applications: Traction ferroviaire distribution de l'électricité 100 à 300 G€/an Enjeu: ISP-HV, isolation, drivers, refroidissement PV, distribution CC ... Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 91 Resistive-like Devices Si Graph not convenient for IGBTs ! Die parallelization enables a reduction of the on-losses. CoolMOS INFINEON G aN VJFET INFINEON 4H -S iC SF ET M O Si-MOSFETs are very near the theoretical limit Specific On-Resistance, ρON (Ωcm²) Commercial devices: MOSFET CREE BJT Fairchild VJFET SEMISOUTH HEMT IR 100 200 600 1200 Breakdown Voltage, VBR (V) 92 Les Composants de puissance à haute tension Resistive & Diode-like limits of interest VDMOS CoolMOS VJFET IGBT thyris. BJT Th. 1 100 Ga N 0.01 100 W/cm² à 300 W/cm² Power Density, QON (W/cm²) 4H -Si C Si Breakdown Voltage VBR (V) 93 Tenue en température 1000 300 COOLMOS 600 V 200 Meilleures robustesses pour les composants en SiC GaN SiC-JFET 1.2 kV IGBT 1.2 kV IGBT 6.5 kV SOI IC Thyristor 12 kV MOSFET 600 V Si 100 Les composants commerciaux sont proches des limites Semiconductor Runaway Temperature (° C) 4H-SiC 94 Breakdown Voltage, VBR (V) 94 Questions ouvertes VN(IF) BJT VBI Architecture GTO, PIN, IGBT Multiniveaux ou mise en série? Vitesse de commutation – Durée de vie ambipolaire 1 µs → 10 µs Switching Frequency up to 30 kHz ICSCRM 2009 9 kV, 1 cm² SiC Gate Turn-Off Thyristors, CREE 95 95 Questions ouvertes (2) Composants SiC bipolaires de puissance (15 kV) va impacter la distribution et le transport de l'électricité Rendement théorique > 99.x % L'électronique de puissance peut être le système de sécurité (courtcircuit, foudre ...). Des composants spécifiques pourront être développés: limiteur de courant and limiteurs de tension ... 96 96 Conception d'un convertisseur 100 MW, 300kV 100 MW, 300 kV < 1 cm³ (SiC) Et la thermique ? Et l'isolation ? Il faudra faire plus que de simple module hybride Conclusion : 100 MW, 300 kV < quelques litres (refroidissement + isolation) 97 97 ISP : conclusion SiC ISP HT Moteur actuel (pas faisable en silicium) ISP HV Fort enjeu de société ISP EE Efficacité Energétique Multidiciplinaire ... Si, SiC ... Intégration actionneur fiabilité Expertise ISP (conception, modélisation, analyse) Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org 98 SiC Devices: SiC-MOSFET – RON is limited by channel mobility – Commercially available from 2011 • CREE, ROHM ... – Carrier injections in the oxide – Some degradations at high temperature A. J. Lelis at al. 2011 US Army Research Laboratory 99 99 SiC Devices: SiC JFETs V T0 T=V BI T−V P Blocking GS voltage V BI 0 = VP N N Building potential V BI=U G T−U T ln AA DD ≃2.8 V NA ND q ND a2 Pinch-off voltage V P= 2 Channel resistance R CH = L 2 q N D n ND a Z 3 VP 1−3 0 2 02 Saturation current I = R CH SS D Normally Off : V T00⇒ V P V BI Morel at al. EPE 2011 So, the pinch-off voltage is small So, the saturation current is small ! 100 SiC Devices: JFETs SEMISOUTH JFETs All JFETs No oxide/channel mobility reduction – RON improvement are expected – vertical channel structure 80 mΩ - 1200 V – Tch < 150 °C K. Matocha, ECPE, SiC & GaN User Forum, 2011 80 mΩ - 1200 V – Tch < 150 °C Normally Off Normally On V T0≃1 V V T0 ≃−5 V SS D I ≃30 A I SS D ≃55 A 101 SiC Devices INFINEON JFETs 2 channel structures Normally-on 70 60 V 50 I D S [A ] 40 GS =-2 V V GS =-4 V V V 20 V V 10 =0 V V V 30 GS GS GS =-6 V 100 mΩ - 1200 V – Tch < 300 °C =-8 V =-1 0 V GS GS =-1 2 V V T0≃−15 V =-1 4 V GS Extensively tested at high temperature ! 0 0 5 10 15 V DS 20 I SS D ≃65 A 25 [V ] 18 102 SiC Devices (Fairchild) BJTs – Low injection ? – Weak dependence on the temperature 103 103
