Les composants de puissance en SiC

Les composants de puissance en SiC
Chapitre 1
Les composants de puissance en SiC
Ce chapitre décrit les propriétés électriques du carbure de silicium et montre les
avantages d'employer le SiC à la place d'autres matériaux semiconducteurs. Nous
décrirons la structure de base de chaque type de diode de puissance, ainsi que le principe
de fonctionnement et la situation actuelle des diodes SiC de forte puissance. Ensuite,
nous énumérerons les techniques de protection périphérique permettant d’accroître la
tenue en tension des diodes de puissance. Puis nous terminerons par la présentation de la
diode PIN SiC étudiée dans ce mémoire.
1.1 Propriétés électriques du SiC
Le carbure de silicium appartient à la classe des matériaux généralement désignés sous
le nom de semiconducteurs à grand Gap. Ceci signifie que l'espace d'énergie, dit interdit
(ou Gap) entre la bande de valence et la bande de conduction est plus grand que pour le
silicium. Il implique par exemple, qu'il est moins probable que les électrons
thermiquement excités franchissent le Gap.
Parmi les nombreux polytypes de SiC, le 4H-SiC est le plus attrayant dû à la mobilité de
porteurs plus élevée. Certaines des propriétés électriques des polytypes SiC comparées à
quelques autres semiconducteurs sont énumérées dans le tableau 1.1. Le silicium (Si) et
l'arsenic de gallium (GaAs) sont des semiconducteurs traditionnels. Le nitrure de
gallium (GaN) et le diamant (C) sont comme le SiC également considérés comme futurs
matériaux semiconducteurs de puissance.
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 12 -
Les composants de puissance en SiC
Propriétés
Bande interdite
(eV)
Champ critique
(MV/cm)
Vitesse saturation
(x107 cm/s)
Si
GaAs
3C-SiC 4H-SiC 6H-SiC
GaN
C
1,12
1,42
2,3
3,26
2,96
3,4
5,45
0,2
0,4
2
3,5
2,4
3,3
5,6
1
2
2,5
2
2
2,5
2,7
Electron
1200
6500
750
1000
370
1000
1900
Trou
420
320
40
115
90
30
1600
Mobilité (cm2/V.s)
Concentration
intrinsèque (cm-3)
Constante
diélectrique
relative
1,5x1010 2,1x106
Conductivité
thermique
(W/cm.K)
6,9
8,2x10-9 2,3x10-6 1,6x10-10
1,6x10-27
11,9
12,8
9,6
10
9,7
8,9
5,5
1,5
0,5
4,9
4,9
4,9
1,3
20
Tableau 1.1 : Comparaison des propriétés électriques des matériaux semiconducteurs de puissance (Si et GaAs)
et les matériaux semiconducteurs à grand gap (SiC, GaN et diamant).
La concentration en porteur intrinsèque ni est déterminée par l'énergie de la bande
interdite EG, ainsi que la densité effective de la bande de conduction NC et de valence
NV. La concentration en porteur intrinsèque est définie comme :
ni (T ) = N C NV e
⎛ EG ⎞
⎜−
⎟
⎝ 2 kT ⎠
(1.1)
La concentration intrinsèque augmente avec la température, lorsqu’elle dépasse le
dopage de la région faiblement dopée le composant ne peut plus fonctionner. La très
petite concentration intrinsèque du SiC lui confère un faible courant de fuite même à
température élevée.
Le SiC a un champ électrique critique EC environ dix fois plus grand que celui du
silicium, la tension de claquage pour une diode plane NPT de largeur infinie est donnée
par:
VB =
ECWB qN D 2
=
WB
2
2ε
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
(1.2)
- 13 -
Les composants de puissance en SiC
Pour la même tension de claquage, l’épaisseur de la région de désertion WB sera environ
10 fois plus mince que pour le silicium, et le dopage ND sera environ 100 fois plus
élevé. Il en résulte une diminution importante de la résistance spécifique (Equation 1.3).
Il faut cependant prendre en compte la mobilité des électrons et la constante diélectrique
inférieure dans le SiC, l'avantage en terme de résistance spécifique correspond à un
rapport situé entre 300 et 800 en faveur du SiC.
RON =
WB
4VB2
=
q µn N D εµ n EC3
(1.3)
La montée en fréquence est favorisée par une vitesse de saturation deux fois plus élevée
des porteurs dans le SiC, ce qui augmente la rapidité de commutation. La constante
diélectrique plus faible diminue la capacité de jonction et donc réduit les pertes en
commutation.
La conductivité thermique élevée du SiC permet une évacuation plus aisée de la chaleur,
donc en principe autorise des densités de puissance plus élevées par rapport au silicium
et au GaAs.
Après avoir comparé les caractéristiques électriques des matériaux semiconducteurs de
puissance, nous allons énumérer les avantages et les points faibles des composants SiC
face aux composants silicium.
Avantages
-
Les composants de puissance en SiC ont des tensions de claquage maximales plus
élevées en raison de leur champ électrique critique plus important. Par exemple
les diodes Schottky silicium commercialisées ont typiquement une tenue en
tension inférieure à 300V, alors que les diodes Schottky SiC commercialisées
possèdent actuellement un calibre en tension de 1200V.
-
Pour les composants unipolaires de calibre en tension identique, les composants
de puissances en SiC ont une résistance spécifique plus faible, car la zone de
tenue en tension est plus mince et plus dopée. Ainsi les pertes en conductions
sont plus faibles.
-
Les composants bipolaires en SiC ont un courant de recouvrement moins
important, réduisant ainsi les pertes en commutation.
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 14 -
Les composants de puissance en SiC
-
Avec la réduction des pertes en commutation un composant bipolaire SiC peut
fonctionner à plus hautes fréquences (jusqu'à 20MHz) que les composants en
silicium.
-
Le SiC a une conductivité thermique plus élevée et donc profite d’un meilleur
refroidissement.
-
Le SiC peut être utilisé à haute température. Les composants SiC fonctionnent
jusqu’à 600°C, tandis que ceux en silicium peuvent fonctionner à une
température de jonction inférieure à 150°C.
Inconvénients
-
La tension de diffusion de l’ordre de 3V rend moins intéressante l’utilisation du
SiC dans la gamme des composants bipolaires (diodes PIN et thyristors) de
moyenne tension (U<1000V).
-
Le prix des composants SiC est élevé à cause de la difficulté d’élaboration du
cristal et des bas rendements de fabrication due aux nombreux défauts : le prix
d’une diode Schottky SiC 600V 4A est de 7$, alors que celui d’une diode PIN
silicium du même calibre est inférieur à 1$.
-
La disponibilité des composants est limitée car encore peu sont commercialisés.
-
Les boîtiers de composants haute température n’ont pas encore été développés,
donc les composants SiC encapsulés ne peuvent pas être utilisés à haute
température.
Beaucoup d’inconvénients sont normaux en considérant que la technologie du SiC n'est
pas encore totalement mature. Le SiC rend possible l’électronique de puissance, pour les
applications hautes tensions et hautes températures. D’autre part les faibles pertes en
conduction des diodes Schottky SiC améliorent le rendement, ce qui est déjà intéressant
dans le domaine de la basse tension (<1200V) à haut rendement.
1.2 Les diodes de puissance en SiC
Les diodes sont les plus simples semiconducteurs et sont utilisées dans presque tous les
convertisseurs de puissance. Deux types de diodes sont utilisés: les diodes bipolaires
(PIN) et les diodes Schottky. Pour les convertisseurs de faible tension les diodes
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 15 -
Les composants de puissance en SiC
Schottky sont préférées car elles sont plus rapides que les diodes PIN, elles ont une
chute de tension à l’état passant plus faible et de plus faibles pertes en commutation.
Cependant pour les applications de plus forte tension (>300V), les diodes Schottky en
silicium sont peu utilisées, car leurs courants de fuites se dégradent vite. Dans ce cas des
diodes bipolaires sont préférées.
Les premières diodes Schottky SiC commercialisées possédaient une tenue en tension de
600V. Puis avec la maturation de la technologie SiC sont apparues les diodes Schottky
1200V, ce qui permet de remplacer les diodes PIN en silicium du même calibre en
tension.
Il existe un troisième type de diodes de puissances SiC appelé JBS. Ces diodes ne sont
pas employées dans l’industrie car elles sont encore au stade expérimental. Cette
technologie combine les avantages d’une diode Schottky en direct (faible tension de
seuil à l’état passant et peu de charges stockées) et d’une diode bipolaire en inverse
(tenue en tension élevée et faible courant de fuite).
1.2.1 La diode PIN
Une diode PIN est fabriquée par l’association d’une région semiconductrice de type P
(ions accepteurs) et d’une région semiconductrice de type N (ions donneurs). Pour les
composants de forte tenue en tension, la région de type N est divisée en une région
fortement dopée N+ et une région faiblement dopée N- tel qu’il est représenté sur la
figure 1.1. La région N- est appelée « base » ou « région centrale ».
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 16 -
Les composants de puissance en SiC
Anode
métallisation
P+
N-
base
N+
métallisation
Cathode
Figure 1.1 : Structure d’une diode bipolaire de puissance.
Lorsque la diode est polarisée en direct, les ions de la région fortement dopée N+ vont
fournir des électrons et celle de type P+ des trous. A la jonction de la région P+ et N- les
électrons vont se recombiner avec les trous qui se sont déplacés de P+ par diffusion. La
forte diffusion supprime la neutralité électrique de chacune des régions. Appauvrie en
trous, la partie de région P+ située juste au dessus de la jonction se charge négativement
part la présence des ions accepteurs fixes, tandis que la région N- située immédiatement
en dessous de la jonction se dégarnit en électrons libres et se charge positivement. Le
phénomène de diffusion entraîne donc l’apparition d’une ZCE. Le champ électrique
interne créé par les atomes ionisés s’oppose à l’extension du phénomène de diffusion : il
a tendance à repousser vers la région P+ des trous en provenance de la région N-, et
inversement pour les électrons libres.
Il résulte du mouvement des porteurs majoritaires un courant de diffusion, somme des
courants des électrons libres et des trous. Tous les trous diffusant dans la région N- ne
pouvant pas s’y recombiner instantanément, il y a au voisinage de la ZCE dans la région
N- un excédent de charges positives qu’on appelle charge de diffusion, ou charge
stockée. Cette charge résulte directement de l’injection du courant de diffusion des trous
à travers la jonction. Ce phénomène est identique pour les électrons dans la région P+. Il
y a donc simultanément une charge stockée dans la région P+ et une charge stockée dans
la région N-. L’existence de ces charges stockées a une importance considérable en
régime transitoire, et explique notamment qu’une diode ne puisse pas passer
instantanément de l’état conducteur à l’état bloqué. Il faut un certain temps pour que
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 17 -
Les composants de puissance en SiC
disparaisse la charge stockée totale : le temps pendant lequel la jonction PN peut
conduire en inverse.
Quand une tension inverse est appliquée, les trous de la région P+ et les électrons de la
région N+ vont s’écarter de la jonction pour empêcher l’écoulement du courant. Dans
l’état d’équilibre, le courant de fuite a principalement (à température pas trop élevée)
pour origine la génération thermique.
La ZCE s’agrandit avec l’augmentation de la tension appliquée, faisant ainsi croître le
champ électrique maximal. Quand la ZCE devient supérieure à l’épaisseur de la base il y
a percement de la zone centrale. Lorsque le champ électrique devient suffisamment
important, les porteurs accélèrent dans la ZCE et acquièrent de l’énergie pour ioniser les
atomes du réseau et ainsi créer des paires électron-trou, qui accélérées à leur tour
peuvent provoquer l’ionisation d’autres atomes. Ce phénomène est appelé la génération
par ionisation. Le claquage par avalanche survient lorsque le phénomène de
multiplication s’emballe, le courant de fuite tend théoriquement vers l’infini. La tension
de claquage est déterminée pour une valeur de courant de fuite donnée.
La tension de claquage dépend de l’épaisseur de la base, ainsi que de la valeur de son
dopage. Il est nécessaire d’effectuer un compromis entre la tenue en tension et une faible
chute de tension à l’état passant. Dans la pratique la profondeur de la base et son dopage
sont situés dans la région de coude (Figure 1.2).
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 18 -
Les composants de puissance en SiC
Figure 1.2 : Simulation de la tension de claquage en fonction de la concentration et de l’épaisseur de la zone
centrale d’une diode PIN en SiC-4H. Zone encerclée : compromis entre VBR élevée et RON faible. VBR est définie
par le coefficient d’ionisation par impact. La diode est considérée comme infiniment plane.
En raison de leur nature bipolaire, les pertes en conduction d'une diode PIN diminuent
quand la température augmente.
Il n’existe pas encore de diode bipolaire SiC commercialisée. Les composants actuels
sont des prototypes de laboratoire. Une diode bipolaire réalisée a un calibre en courant
de 50 A, avec une tension de claquage de 10 kV [DAS-04]. La tenue en tension la plus
importante d’une diode PIN SiC réalisée est de 19 kV [SUGA-01].
1.2.2 La diode Schottky
Une diode Schottky est formée par une jonction métal-semiconducteur visible sur la
figure 1.3. C’est pourquoi cette diode est plus simple que la diode PIN, et actuellement
c’est le plus simple de tous les composants à semiconducteur. Bien que la forme la plus
commune des diodes Schottky soit formée par la jonction métal et semiconducteur de
type N, d'autres constitués par une jonction métal et semiconducteur de type P sont
également employées.
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 19 -
Les composants de puissance en SiC
Anode
métallisation
NN+
métallisation
Cathode
Figure 1.3 : Structure d’une diode Schottky de puissance.
La différence de concentration en porteurs des deux matériaux (métal et semiconducteur
N-) crée une barrière de potentiel dans la jonction. Puisque le semiconducteur et le métal
sont de type N, le courant de conduction implique seulement des porteurs majoritaires
(électrons)
sans
injection
de
porteurs
minoritaires,
donc
sans
stockage
ou
recombinaison.
C'est parce que les électrons du semiconducteur de type N entrent du côté du métal, où
les électrons sont en abondance, qu’ils deviennent une partie intégrante du métal. Par
conséquent il n'y a aucun stockage de charges dans la jonction. Puisqu'il n'y a aucune
conduction de porteurs minoritaires dans une diode Schottky, il n’y a pas de
recouvrement dans la caractéristique au blocage. Ainsi le temps de mise en conduction
est presque nul, et le temps de blocage implique seulement le temps de transition qui
dépend de la capacité parasite, et non pas du temps de recombinaison des porteurs
minoritaires. Pour cette raison les diodes Schottky sont parfaitement adaptées aux
applications de commutation haute fréquence. Le comportement au blocage de cette
diode peut également être attrayant par les faibles pertes en commutation.
La tension de seuil des diodes Schottky est plus faible du fait que la hauteur de barrière
Schottky est inférieure à la hauteur de barrière d’une jonction PN qui est proche du gap.
Pour bloquer les courants de fuite en inverse, des anneaux de gardes dopés P peuvent
être employés, mais forment des diodes PN parasites.
En raison des avantages des diodes Schottky par rapport aux diodes PIN, elles sont
préférées pour des applications de puissance. Cependant à cause de leur plus faible
gamme de tension actuelle, elles sont surtout utilisées dans des applications basse
tension. Le courant de fuite des diodes Schottky est supérieur aux diodes PIN, ce qui
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 20 -
Les composants de puissance en SiC
augmente les pertes à l’état bloqué, et limite la tenue en tension. Ceci change avec la
commercialisation des diodes Schottky SiC de plus fort niveau de tension.
Il existe plusieurs modèles qui diffèrent par leur calibre en tension et en courant, nous
pouvons citer comme exemple les diodes répertoriées dans le tableau 1.2.
Vendeur
Référence
Calibre en
tension
Calibre en
courant
Microsemi
UPSC200
200V
1A
Infineon
SDT10S30
300V
10A
Infineon
SDP06S60
600V
6A
CREE
CSD10120
1200V
10A
Tableau 1.2 : Diodes Schottky SiC commercialisées.
1.2.3 La diode JBS
La diode JBS aussi appelé MPS consiste à implanter des zones dopées P+ dans une diode
Schottky (Figure 1.4).
Anode
P+
P+
métallisation
NN+
métallisation
Cathode
Figure 1.4 : Structure d’une diode JBS de puissance.
Une section transversale d'une diode JBS fonctionnant en polarisation directe et inverse
est montrée sur la figure 1.5. La zone hachurée de la figure 1.5 (a) représente le courant
traversant la diode JBS à l’état passant, tandis que les pointillés de la figure 1.5 (b)
délimitent les zones de désertion de la diode à l’état bloqué.
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 21 -
Les composants de puissance en SiC
P+
P+
P+
N-
N-
N+
N+
(a)
P+
(b)
Figure 1.5 : Courant à l’état passant (a) et zone de déplétion à l’état bloqué (b) d’une diode JBS.
Pour une tension directe inférieure à 3V seulement les régions Schottky de la diode JBS
SiC conduisent. La chute de tension à l’état passant du composant est déterminée par la
résistance de la région N-, la hauteur de barrière du métal Schottky, et l’aire relative
entre la région Schottky et les régions implantées P+. La hauteur de barrière du métal
Schottky doit être assez basse pour obtenir une faible chute de tension à l’état passant.
A mesure que la polarisation inverse augmente, les régions de désertion adjacentes aux
régions implantées P+ pincent le courant de fuite provenant des contacts Schottky du
composant. Le courant de fuite dans les régions Schottky se produit en raison de
l’abaissement de la barrière Schottky à la jonction métal-N-. La présence des régions
implantées P+ réduit le champ électrique à la jonction métal-N-.
La diode JBS est soumise à un compromis entre la valeur de la tension à l’état passant et
le courant de fuite. Les paramètres de conception qui affectent ce compromis sont :
-
l’aire relative de la région implantée P+,
-
la géométrie et la disposition (en bordure ou réparties le long de la région
Schottky) des régions implantées P+.
Une importante aire implantée P+ a comme conséquence l’augmentation de VF en raison
d'une plus petite aire conductrice, mais réduit le courant de fuite due à un pincement
plus efficace de la région Schottky. Un bon compromis correspond à une surface de
région Schottky représentant la moitié de la surface totale implantée P+ [SING-00].
La courbe caractéristique en inverse de la diode JBS et beaucoup plus semblable aux
diodes PIN qu’aux diodes Schottky. La diode JBS montre une grande rapidité de
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 22 -
Les composants de puissance en SiC
commutation au blocage et un faible recouvrement résultant de la capacité de jonction
des régions de déplétion [LAI-01].
Les diodes JBS possèdent un coefficient de température positif, ce qui fait croître les
pertes en conduction avec l’augmentation de température, alors que les pertes en
commutation diminuent.
Actuellement il n’existe pas de diodes JBS SiC commercialisées. Les prototypes les plus
performants réalisés ont un calibre de 1500V-4A [SING-00] et 1200V-15A [LAI-01].
1.3 Protection périphérique des diodes
Les protections périphériques sont utilisées dans la conception des diodes de puissance
pour augmenter la tenue en tension. Elles consistent à éviter le resserrement des
équipotentielles en bordure de la jonction du composant, afin de diminuer l’amplitude
du champ électrique qui apparaît à la périphérie. En comparant les figures 1.6 et 1.7
nous pouvons visualiser l’effet d’une protection périphérique JTE sur la répartition des
lignes de champ électrique d’une diode bipolaire de puissance.
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 23 -
Les composants de puissance en SiC
P+
N-
N+
Figure 1.6 : Simulation MEDICI 2D des équipotentielles d’une diode PIN sans protection.
JTE
P+
N-
N+
Figure 1.7 : Simulation MEDICI 2D des équipotentielles d’une diode PIN protégée par JTE.
Sans protection périphérique la tension de claquage serait très faible comparée à la
tension de claquage en volume.
Il existe plusieurs techniques de protection, mais les plus couramment utilisées par les
concepteurs de part leur simplicité de réalisation et leurs efficacités, sont les structures
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 24 -
Les composants de puissance en SiC
Mesa, JTE et les anneaux de garde. La littérature rapporte d’autres techniques de
protection de diodes plus originales telle que la plaque de champ. Il est possible
d’effectuer des combinaisons de ces types de protections périphériques, la plus
fréquemment utilisée est la protection MESA + JTE [SUGA-01].
De nombreux travaux ont été réalisés au CEGELY pour l’amélioration de la tenue en
tension des diodes en carbure de silicium. Il a été démontré l’efficacité des protections
de type Mesa [PLAN-94]-[LANO-97] et JTE [ORTO-97]-[ISOI-01].
Nous présentons les principales techniques de protections périphériques appliquées à
une diode bipolaire. Le principe reste identique pour les diodes Schottky, mais dans ce
cas la protection s’applique à la jonction métal-semiconducteur.
anode
α
h
l
SiO2
P+
N
h
l
anode
P
P+
N
N+
N+
cathode
Mesa
cathode
JTE
anode
+
P
anode
P P
P+
P P
P
N
N
N+
N
cathode
Plaque de champ
cathode
Anneaux de garde
Figure 1.8 : Représentation schématique des principales techniques de protection d’une diode PIN.
La Mesa :
La jonction est terminée par une gravure qui est définie par sa profondeur et l’angle de
gravure. La matière enlevée par la gravure vient modifier l’équilibre des charges et
apporte ainsi une redistribution des équipotentielles plus étalée lors de la polarisation
inverse. L’angle α et la profondeur de gravure h de la base influence la tenue en tension.
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 25 -
Les composants de puissance en SiC
La protection JTE
Cette technique appelée JTE consiste à venir prolonger la région la plus fortement dopée
par une poche ayant le même type de dopant, mais avec un niveau de dopage plus faible.
Cette zone faiblement dopée que l’on appelle plus communément « poche », est définie
par son extension l, sa profondeur h et sa dose d’impureté implantée.
La protection par anneaux de garde
Le concept de cette technique s’apparente à la JTE sauf que l’on ne réalise pas une seule
zone comme dans le cas de la JTE mais plusieurs, séparées entre elles par une distance
appelée anneaux de garde. Ces anneaux ayant un potentiel flottant, l’optimisation
consiste à déterminer la distance inter anneaux et le nombre d’anneaux permettant un
bon étalement des équipotentielles.
La protection par plaque de champ
Cette protection repose sur un effet électrostatique. Il s’agit de prolonger le contact du
dispositif sur une couche d’oxyde (SiO2). Le potentiel du contact via l’oxyde agira sur la
répartition des charges en périphérie. La tenue en tension est surtout dépendante de la
longueur de métallisation d’anode en regard avec la couche active, ainsi que de
l’épaisseur d’isolant.
1.4 Diode étudiée
Dans l’ensemble de la thèse nous nous intéressons à la caractérisation électrique d’un
prototype de diode PIN SiC non encapsulé (Figure 1.9). Cette diode possède une tenue
en tension théorique de 5kV dans un milieu isolant de type SF6, et un calibre en courant
de 230mA sous 5V. Elle est bondée sur des plots en bordure du support afin de faciliter
son utilisation dans un circuit de caractérisation.
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 26 -
Les composants de puissance en SiC
cathode
anode
fils de bonding
cathode
anode
Figure 1.9 : Photographie du prototype de diode PIN SiC étudié.
Les caractéristiques technologiques de cette diode sont données par le constructeur. La
région faiblement dopée N- à une profondeur de 39µm pour une densité de dopants
ND=1.1x1015cm-3, tandis que celle des régions fortement dopées vaut : N+=5x1018cm-3 et
P+=4.5x1019cm-3. Cette diode possède un diamètre de 950µm et comporte une protection
périphérique JTE représentée par les poches dopées P- sur la figure 1.10.
1mm
950µm
P-
P+
250µm
P-
1µm
N-
39µm
N+
332µm
Figure 1.10 : Représentation en coupe de la diode PIN SiC étudiée.
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 27 -
Les composants de puissance en SiC
La diode étudiée possède la surface la plus importante des diodes du même lot, ce qui
lui permet d’avoir le plus grand calibre en courant. Nous avons constaté que les diodes
de faible surface possèdent la plus grande tenue en tension. Il semble que la surface
importante de cette diode corresponde à un plus grand nombre de défauts (bien connus
liés à la qualité du matériau) dans le substrat de la région faiblement dopée. Ils sont à
l’origine de la différence entre la tenue en tension théorique de 5kV (Figure 1.2) et la
tension de claquage mesurée à 750V dans l’air (Figure 3.14).
1.5 Conclusion
Le choix d’un type de diode dépend de nombreux paramètres du composant tel que la
tenue en tension, la densité de courant à l’état passant, la densité de courant inverse
acceptable, la température de fonctionnement et la fréquence de commutation.
Dans chacun de ces domaines les diodes de puissance en SiC sont plus performantes que
les diodes en silicium. Leur calibre en tension nettement supérieur permet de simplifier
les circuits en limitant la mise en série de composants. La grande stabilité en
température et la bonne conductivité thermique permet de réduire la taille du système de
refroidissement, ainsi que fonctionner dans un environnement haute température. La
faible résistance à l’état passant et la réduction des pertes en commutation améliore le
rendement du système. Enfin la densité de courant élevée et la possibilité de fonctionner
à haute fréquence permettent de réduire les dimensions des composants semiconducteurs
ainsi que les capacités et les inductances du convertisseur.
THESE - Damien Risaletto
Caractérisation électrique en commutation
de diodes haute tension en carbure de silicium
- 28 -