5-6-4-1-1 sic redresseurs de puissance schottky.

Des diodes Schottky de puissance 4h-sic (avec des tensions de blocage assignées jusqu'à 1200 V et des courants assignés à l'état jusqu'à 20 A à ce jour) sont maintenant disponibles dans le commerce. la structure de base de ces diodes unipolaires est un contact anodique schottky en métal à motifs résidant sur une couche homoépitaxiale relativement mince (environ de l'ordre de 10 μm d'épaisseur) faiblement dopée n sur une épaisseur beaucoup plus grande (environ 200-300 μm) substrat 4h-sic de type n à faible résistivité (axe décalé de 8 °, comme indiqué dans la section 5.4.4.2) avec métallisation par contact cathodique arrière. Les structures d'anneau de garde (habituellement des implants de type p) sont généralement utilisées pour minimiser les effets d'encombrement du champ électrique autour des bords du contact d'anode. La passivation et l'empaquetage de matrices aident à empêcher l'amorçage d'arc / surface contaminé à l'opération fiable d'appareil. la principale application de ces appareils à ce jour a été les alimentations à découpage, où (conformément à la section 5.3.2) la commutation plus rapide du redresseur sic schottky avec moins de perte de puissance a permis un fonctionnement et un rétrécissement de condensateurs, inductances et la taille et le poids global de l'alimentation. en particulier, l'absence effective de stockage de charge des porteurs minoritaires permet aux dispositifs sic schottky unipolaires de s'éteindre beaucoup plus vite que les redresseurs en silicium (qui doivent être des diodes de jonction pn supérieures à 200 V bloquant) qui doivent dissiper l'énergie de charge porteuse minoritaire injectée . même si le coût des pièces des redresseurs sic a été plus élevé que celui des redresseurs de silicium concurrents, un coût globalement inférieur du système d'alimentation électrique avec des avantages de performance utiles est néanmoins obtenu. Il convient toutefois de noter que des changements dans la conception du circuit sont parfois nécessaires pour améliorer au mieux les capacités du circuit avec une fiabilité acceptable lors du remplacement du silicium par des composants sic. Comme nous l'avons vu à la section 5.4.5, la qualité des matériaux sic limite actuellement les valeurs de courant et de tension des diodes Schottky. en cas de polarisation directe élevée, la conduction du courant de la diode schottky est principalement limitée par la résistance en série de la couche de blocage faiblement dopée. le fait que cette résistance en série augmente avec la température (en raison de la mobilité réduite des porteurs épilateurs) entraîne l'équilibrage de forts courants vers l'avant à travers chaque diode lorsque plusieurs diodes schottky sont mises en parallèle pour gérer des courants plus élevés.

5-6-4-1-2 redresseurs de puissance bipolaires et hybrides

pour des applications à tension plus élevée, l'injection de charges de porteurs minoritaires bipolaires (modulation de conductivité) devrait permettre aux diodes sic pn de supporter des densités de courant plus élevées que les diodes schottky unipolaires dont les régions de dérive utilisent uniquement des porteurs majoritaires d'atomes dopants. En accord avec l'expérience du redresseur de silicium, la fuite inverse liée à la génération de la jonction sic pn est habituellement plus petite que la fuite inverse de la diode schottky assistée thermiquement. Comme pour les dispositifs bipolaires en silicium, un contrôle reproductible de la durée de vie des porteurs minoritaires sera essentiel pour optimiser les compromis de performances de la vitesse de commutation et de la densité de courant à l'état passant des dispositifs bipolaires sic pour des applications spécifiques. la réduction de la durée de vie du véhicule par l'incorporation intentionnelle d'impuretés et l'introduction de défauts induits par les radiations semble possible. cependant, la possibilité d'obtenir des durées de vie des porteurs minoritaires longues et persistantes (au-dessus d'une microseconde) s'est révélée quelque peu évasive, indiquant qu'une amélioration supplémentaire des processus de croissance des matériaux est nécessaire pour permettre la réalisation du plein potentiel des redresseurs bipolaires. à ce jour, les redresseurs de puissance bipolaires sic ne sont pas encore disponibles dans le commerce. La faible fiabilité électrique causée par l'expansion électrique des défauts d'empilement de couche épitaxiale 4h-sic initiée à partir des défauts de dislocation du plan basal (tableau 5.2) empêchait efficacement les efforts concertés de commercialisation des diodes de jonction pn 4h-sic à la fin des années 1990. en particulier, la recombinaison bipolaire électron-trou qui se produit dans les jonctions pn polarisées en avant conduit à l'élargissement du désordre d'empilement dans la couche de blocage 4h-sic, formant un puits quantique agrandissant (basé sur une bande interdite 3c-sic plus étroite) ) de porteurs minoritaires à travers la couche de blocage de jonction légèrement dopée. en conséquence, les tensions avant des redresseurs pn 4h-sic requis pour maintenir le courant nominal à l'état monté augmentent de manière imprévisible et indésirable avec le temps. Comme discuté dans la section 5.4.5, la recherche pour comprendre et surmonter ce problème induit par les défauts matériels a fait des progrès importants, de sorte que, espérons-le, les dispositifs de puissance bipolaires pourraient être commercialisés dans quelques années. Un inconvénient de la largeur de bande large de sic est qu'il nécessite des tensions de polarisation directe plus grandes pour atteindre le \"genou\" d'une diode où un courant important commence à circuler. à son tour, la tension du genou plus élevée peut conduire à une augmentation indésirable de la dissipation de puissance à l'état passant. Cependa...

5-6-4-2 sic transistors de commutation de haute puissance

trois commutateurs d'alimentation terminaux qui utilisent de petits signaux d'attaque pour commander de grandes tensions et courants (c'est-à-dire des transistors de puissance) sont également des blocs de construction critiques de circuits de conversion haute puissance. cependant, à ce jour, les transistors de commutation à haute puissance sic ne sont pas encore disponibles dans le commerce pour une utilisation bénéfique dans les circuits de système d'alimentation. ainsi que cela est résumé dans les références 134, 135, 172, 180 et 186-188, une variété de commutateurs d'alimentation sic améliorés à trois bornes ont été prototypés ces dernières années. le manque actuel de transistors de commutation de puissance commerciale est en grande partie dû à plusieurs difficultés technologiques discutées ailleurs dans ce chapitre. par exemple, tous les transistors semi-conducteurs à haute puissance contiennent des jonctions à haut champ responsables du blocage du flux de courant à l'état bloqué. par conséquent, les limitations de performance imposées par les défauts cristallins sic sur les redresseurs à diodes (sections 5.4.5 et 5.6.4.1) s'appliquent également aux transistors à haute puissance sic. En outre, la performance et la fiabilité des portes d'inversion de mosaïque (c.-à-d. mosfets, igbts, etc.) ont été limitées par de faibles mobilités de canal d'inversion et une fiabilité de porte-isolant discutable discutée dans la section 5.5.5. Pour éviter ces problèmes, des structures de dispositifs qui ne reposent pas sur des isolants de grille de haute qualité, tels que mesfet, jfet, bjt et mosfet à canal d'appauvrissement, ont été prototypées en vue de leur utilisation comme transistors de commutation de puissance. Cependant, ces autres topologies d'appareils imposent des exigences non standard sur la conception des circuits d'alimentation qui les rendent peu attrayants par rapport aux mosfets et aux igbts à canal d'inversion à base de silicium. en particulier, les mosfets et les igbts de puissance de silicium sont extrêmement populaires dans les circuits de puissance en grande partie parce que leurs commandes de grille sont bien isolées du canal de puissance conducteur, nécessitent peu de puissance de signal de commande et sont normalement désactivées. lorsque la porte est sans biais à 0 v. le fait que l'autre les topologies de dispositifs ne présentent pas un ou plusieurs de ces aspects hautement favorables au circuit, ce qui a contribué à l'incapacité des dispositifs à base de sic à remplacer avantageusement les mosfets et les igbts à base de silicium dans les applications de système d'alimentation. Comme nous l'avons vu à la section 5.5.5, nous continuons d'espérer que des améliorations substantielles de la technologie 4f-mosfet conduiront bientôt à la commercialisation de mosfets 4h-sic. en attendant, une commutation à haute tension avantageuse en associant un transistor à haute tension avec des mosfets de puissance de silicium à plus basse tension dan...

5-6-5 systèmes microélectromécaniques sic (mems) et capteurs

comme décrit dans le chapitre de hesketh sur le micro-usinage dans ce livre, le développement et l'utilisation de mems à base de silicium continue de s'étendre. Alors que les sections précédentes de ce chapitre se sont centrées sur l'utilisation de sic pour les dispositifs électroniques traditionnels à semi-conducteurs, sic devrait également jouer un rôle important dans les applications émergentes de mems. sic a d'excellentes propriétés mécaniques qui répondent à certaines imperfections des mems à base de silicium tels que l'extrême dureté et la faible friction réduisant l'usure mécanique ainsi qu'une excellente inertie chimique aux atmosphères corrosives. par exemple, une excellente durabilité est examinée pour permettre le fonctionnement de longue durée de micromoteurs électriques et de sources de production d'énergie à micro-turboréacteurs où les propriétés mécaniques du silicium semblent insuffisantes. Malheureusement, les mêmes propriétés qui rendent la silicone plus durable que le silicium rendent également la micromachine plus difficile. Les résultats obtenus à ce jour sont examinés dans les références 124 et 190. L'impossibilité d'effectuer une gravure à motifs fins de monocristaux 4h- et 6h-sic avec des produits chimiques humides (section 5.5.4) rend plus difficile le micro-usinage de cette sic électronique. par conséquent, la majeure partie du micro-usinage à ce jour a été mise en oeuvre dans des couches 3c-sic et polycristallines hétéroépitaxiées électriquement inférieures déposées sur des tranches de silicium. des variantes de micro-usinage en vrac, de micro-usinage de surface et de techniques de micromoulage ont été utilisées pour fabriquer une grande variété de structures micromécaniques, y compris des résonateurs et des micromoteurs. un sic standardisé sur le service de fonderie de processus de fabrication micromécanique de plaquettes de silicium, qui permet aux utilisateurs de réaliser leurs propres dispositifs micro-usinés spécifiques d'application tout en partageant l'espace et le coût des plaquettes avec d'autres utilisateurs, est disponible dans le commerce. pour les applications nécessitant une électronique sic à haute température et à faible fuite impossible avec des couches sic déposées sur silicium (y compris les transistors à haute température, voir section 5.6.2), concepts pour intégrer une électronique beaucoup plus performante avec des mems sur des plaquettes sic 4h / 6h avec des épilayers ont également été proposés. par exemple, des capteurs de pression développés pour être utilisés dans des régions à haute température de moteurs à réaction sont mis en œuvre en 6h-sic, en grande partie du fait qu'une faible fuite de jonction est nécessaire pour obtenir un fonctionnement correct du capteur. L'électronique intégrée des transistors 4h / 6h sur puce qui permet de manière avantageuse le conditionnement de signaux sur le site de détection à haute température est également en cours de développement. Avec tous les capteurs à ...

5-7 avenir de sic

On peut prédire avec certitude que sic ne déplacera jamais le silicium en tant que semi-conducteur dominant pour la fabrication de la grande majorité des puces électroniques du monde qui sont principalement des puces numériques et analogiques à basse tension destinées aux environnements humains normaux (ordinateurs, téléphones cellulaires). , etc.). sic ne sera utilisé que si la capacité de sic à étendre l'enveloppe des conditions de fonctionnement à haute puissance et à haute température, telles que celles décrites à la section 5.3, permet d'obtenir des avantages substantiels. peut-être, le seul domaine d'application existant majeur où sic pourrait sensiblement supplanter l'utilisation actuelle du silicium est le domaine des dispositifs d'alimentation discrets utilisés dans les circuits de conversion de puissance, de commande de moteur et de gestion. le marché des dispositifs d'alimentation, ainsi que le marché de la détection automobile, représentent l'opportunité de marché la plus importante pour les composants semi-conducteurs basés sur sic. cependant, les consommateurs finaux dans ces deux applications exigent une fiabilité extrêmement élevée (c'est-à-dire, aucune défaillance opérationnelle) combinée à un coût global compétitif faible. Pour que la technologie de l'électronique sic ait un impact important, elle doit grandement évoluer de son état actuel pour répondre à ces exigences. il y a clairement une très grande divergence entre la large révolution théorique prometteuse de la technologie électronique des semi-conducteurs (section 5.3) et la capacité opérationnelle des composants basés sur sic qui n'ont été déployés que dans quelques applications commerciales et militaires (section 5.6). de même, il existe également une grande différence entre les capacités des dispositifs de laboratoire sic et celles des dispositifs sic déployés dans le commerce. l'incapacité de nombreux prototypes de laboratoire de sic «réussis» à passer rapidement à un produit commercial démontre à la fois la difficulté et la criticité d'atteindre une fiabilité et des coûts acceptables.

5-7-1 avenir lié aux problèmes matériels

Les sections précédentes de ce chapitre ont déjà mis en évidence les principaux obstacles techniques connus et les immaturités qui sont en grande partie responsables de la capacité des dispositifs SGS entravés. dans les termes les plus généraux, ces obstacles se résument à une poignée de problèmes matériels fondamentaux. La vitesse à laquelle le plus critique de ces problèmes fondamentaux est résolu aura un impact considérable sur la disponibilité, la capacité et l'utilité de l'électronique de semi-conducteurs sic. par conséquent, l'avenir de l'électronique sic est lié à l'investissement dans la recherche de matériaux de base pour résoudre les obstacles liés aux matériaux difficiles à la performance du dispositif sic, le rendement et la fiabilité. le défi matériel qui est sans doute la plus grande clé de l'avenir de la sic est l'élimination des dislocations des plaquettes sic. Comme décrit précédemment dans ce chapitre et ses références, les mesures les plus importantes du rendement du redresseur de puissance sic, incluant les caractéristiques, la fiabilité et le coût des appareils, sont inévitablement impactées par les fortes densités de dislocations présentes dans les wafers commerciaux et les épilayers. Si la qualité de la plaquette sic est proche de celle des plaquettes de silicium (qui contiennent généralement moins d'un défaut de dislocation par centimètre carré), des redresseurs de grande puissance unipolaires et bipolaires plus performants (y compris les appareils de classe kilovolt et kiloampère) disponible pour une utilisation bénéfique dans une variété beaucoup plus grande d'applications de haute puissance. des améliorations similaires seraient également réalisées dans les transistors sic, ouvrant la voie à des dispositifs de haute puissance sic pour remplacer avantageusement les dispositifs de puissance à base de silicium dans une gamme d'applications et de systèmes extrêmement étendue et utile (section 5.3). cette avancée permettrait une «révolution» beaucoup plus rapide et plus large des systèmes électroniques de puissance sic par rapport à l'évolution relativement plus lente et à l'insertion dans les marchés de niche qui ont eu lieu depuis la commercialisation des gaufrettes il y a environ 15 ans. Comme mentionné dans la section 5.4, des résultats de laboratoire récents indiquent que des réductions radicales des dislocations de plaquettes sont possibles en utilisant des approches radicalement nouvelles de la croissance des plaquettes sic par rapport aux techniques de croissance en boule standard utilisées par tous les vendeurs de plaquettes sic. On peut soutenir que l'avenir des dispositifs à haute puissance peut dépendre du développement et de la commercialisation pratique de techniques de croissance à faible densité de dislocations, qui diffèrent sensiblement de celles employées aujourd'hui. Il est important de noter que d'autres semiconducteurs émergents à large bande interdite, en plus de la sic, offrent en théorie des avantage...

5-7-2 lectures supplémentaires recommandées