Dispositif semi-conducteur de puissance

Un dispositif semi-conducteur de puissance est un dispositif semi-conducteur utilisé comme commutateur ou redresseur dans l'électronique de puissance (par exemple dans une alimentation à découpage ). Un tel dispositif est également appelé dispositif de puissance ou, lorsqu'il est utilisé dans un circuit intégré , circuit intégré de puissance .

Un dispositif à semi-conducteur de puissance est généralement utilisé en « mode commutation » (c'est-à-dire qu'il est allumé ou éteint) et possède donc une conception optimisée pour une telle utilisation ; il ne doit généralement pas être utilisé en fonctionnement linéaire. Les circuits de puissance linéaires sont largement utilisés comme régulateurs de tension, amplificateurs audio et amplificateurs radiofréquence.

Les semi-conducteurs de puissance se trouvent dans des systèmes délivrant quelques dizaines de milliwatts pour un amplificateur de casque, jusqu'à environ un gigawatt dans une ligne de transmission de courant continu haute tension .

Le premier dispositif électronique utilisé dans les circuits de puissance était le redresseur électrolytique , dont une première version a été décrite par un expérimentateur français, A. Nodon, en 1904. Ces dispositifs ont été brièvement populaires auprès des premiers expérimentateurs radio car ils pouvaient être improvisés à partir de feuilles d'aluminium et de produits chimiques ménagers. Ils avaient de faibles tensions de tenue et une efficacité limitée.

Les premiers dispositifs semi-conducteurs de puissance à semi-conducteurs étaient des redresseurs à oxyde de cuivre, utilisés dans les premiers chargeurs de batterie et les alimentations pour équipements radio, annoncés en 1927 par LO Grundahl et PH Geiger.

Le premier dispositif semi -conducteur de puissance au germanium est apparu en 1952 avec l'introduction de la diode de puissance par RN Hall . Elle avait une capacité de blocage de tension inverse de 200 V et un courant nominal de 35 A.

Les transistors bipolaires au germanium avec des capacités de gestion de puissance substantielles (courant de collecteur de 100 mA) ont été introduits vers 1952 ; avec essentiellement la même construction que les dispositifs de signal, mais une meilleure dissipation thermique. La capacité de gestion de puissance a évolué rapidement et, en 1954, des transistors à jonction en alliage de germanium avec une dissipation de 100 watts étaient disponibles. Il s'agissait tous de dispositifs à fréquence relativement basse, utilisés jusqu'à environ 100 kHz et jusqu'à une température de jonction de 85 degrés Celsius. Les transistors de puissance au silicium n'ont pas été fabriqués avant 1957, mais lorsqu'ils étaient disponibles, ils avaient une meilleure réponse en fréquence que les dispositifs au germanium et pouvaient fonctionner jusqu'à une température de jonction de 150 °C.

Le thyristor est apparu en 1957. Il est capable de supporter une tension de claquage inverse très élevée et est également capable de transporter un courant élevé. Cependant, l'un des inconvénients du thyristor dans les circuits de commutation est qu'une fois qu'il est « verrouillé » dans l'état conducteur, il ne peut pas être désactivé par commande externe, car la désactivation du thyristor est passive, c'est-à-dire que l'alimentation doit être déconnectée de l'appareil. Les thyristors qui pouvaient être désactivés, appelés thyristors à coupure de grille (GTO), ont été introduits en 1960. Ceux-ci surmontent certaines limitations du thyristor ordinaire, car ils peuvent être activés ou désactivés avec un signal appliqué.

Le MOSFET a été inventé aux Bell Labs entre 1955 et 1960 Des générations de transistors MOSFET ont permis aux concepteurs de puissance d'atteindre des niveaux de performance et de densité impossibles avec les transistors bipolaires. En raison des améliorations de la technologie MOSFET (initialement utilisée pour produire des circuits intégrés ), le MOSFET de puissance est devenu disponible dans les années 1970.

En 1969, Hitachi a présenté le premier MOSFET de puissance vertical, qui sera plus tard connu sous le nom de VMOS (V-groove MOSFET). À partir de 1974, Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony et Toshiba ont commencé à fabriquer des amplificateurs audio avec des MOSFET de puissance. International Rectifier a présenté un MOSFET de puissance de 25 A, 400 V en 1978. Ce dispositif permet un fonctionnement à des fréquences plus élevées qu'un transistor bipolaire, mais est limité aux applications basse tension.

Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) a été développé dans les années 1980 et est devenu largement disponible dans les années 1990. Ce composant possède la capacité de gestion de puissance du transistor bipolaire et les avantages de la commande de grille isolée du MOSFET de puissance.

Certains dispositifs de puissance courants sont le MOSFET de puissance , la diode de puissance , le thyristor et l'IGBT . La diode de puissance et le MOSFET de puissance fonctionnent sur des principes similaires à leurs homologues à faible puissance, mais sont capables de transporter une plus grande quantité de courant et sont généralement capables de supporter une tension de polarisation inverse plus élevée à l' état bloqué .

Des modifications structurelles sont souvent apportées à un dispositif de puissance afin de s'adapter à une densité de courant plus élevée, à une dissipation de puissance plus élevée et/ou à une tension de claquage inverse plus élevée. La grande majorité des dispositifs de puissance discrets (c'est-à-dire non intégrés) sont construits à l'aide d'une structure verticale, tandis que les dispositifs à faible signal utilisent une structure latérale. Avec la structure verticale, le courant nominal du dispositif est proportionnel à sa surface et la capacité de blocage de tension est obtenue dans la hauteur de la matrice. Avec cette structure, l'une des connexions du dispositif est située sur le bas de la matrice semi-conductrice .

Le MOSFET de puissance est le dispositif de puissance le plus courant au monde, en raison de sa faible puissance de commande de grille, de sa vitesse de commutation rapide et de sa capacité de mise en parallèle avancée. Il possède une large gamme d' applications électroniques de puissance , telles que les appareils d'information portables , les circuits intégrés de puissance, les téléphones portables , les ordinateurs portables et l' infrastructure de communication qui permet l' Internet . En 2010, le MOSFET de puissance représente la majorité (53 %) du marché des transistors de puissance, suivi par l'IGBT (27 %), puis l' amplificateur RF (11 %), puis le transistor à jonction bipolaire (9 %).

Un dispositif d’alimentation peut être classé dans l’une des catégories principales suivantes (voir figure 1) :

• Un dispositif à deux bornes (par exemple, une diode ), dont l'état dépend entièrement du circuit d'alimentation externe auquel il est connecté.
• Un dispositif à trois bornes (par exemple, une triode ), dont l'état dépend non seulement de son circuit d'alimentation externe, mais également du signal sur sa borne de commande (cette borne est appelée grille ou base ).
• Un dispositif à quatre bornes (par exemple, un commutateur contrôlé au silicium - SCS). Le SCS est un type de thyristor ayant quatre couches et quatre bornes appelées anode, porte d'anode, porte de cathode et cathode. Les bornes sont connectées respectivement à la première, deuxième, troisième et quatrième couche.

Une autre classification est moins évidente, mais a une forte influence sur les performances de l'appareil :

• Un dispositif à porteurs majoritaires (par exemple, une diode Schottky, un MOSFET, etc.) ; il utilise un seul type de porteurs de charge.
• Un dispositif à porteurs minoritaires (par exemple, un thyristor, un transistor bipolaire, un IGBT, etc.) ; il utilise à la fois des porteurs majoritaires et minoritaires (c'est-à-dire des électrons et des trous d'électrons ).

Un dispositif à porteurs majoritaires est plus rapide, mais l'injection de charge des dispositifs à porteurs minoritaires permet de meilleures performances à l'état passant.

Une diode idéale doit avoir les caractéristiques suivantes :

• En polarisation directe , la tension aux bornes de la diode doit être nulle, quel que soit le courant qui la traverse (état passant).
• En polarisation inverse , le courant de fuite doit être nul, quelle que soit la tension (état désactivé).
• La transition (ou commutation) entre l’état passant et l’état bloqué doit être instantanée.

En réalité, la conception d'une diode est un compromis entre les performances en état passant, en état bloqué et en commutation. En effet, la même zone du dispositif doit supporter la tension de blocage à l'état bloqué et permettre le passage du courant à l'état passant ; comme les exigences pour les deux états sont complètement opposées, une diode doit être soit optimisée pour l'un d'eux, soit laisser du temps pour passer d'un état à l'autre (c'est-à-dire que la vitesse de commutation doit être réduite).

Ces compromis sont les mêmes pour tous les dispositifs de puissance. Par exemple, une diode Schottky présente une excellente vitesse de commutation et de bonnes performances à l'état passant, mais un niveau élevé de courant de fuite à l'état bloqué. En revanche, une diode PIN est disponible dans le commerce avec différentes vitesses de commutation (ce que l'on appelle des redresseurs « rapides » et « ultra-rapides »), mais toute augmentation de la vitesse est nécessairement associée à une baisse des performances à l'état passant.

Les compromis entre tension, courant et fréquence existent également pour un commutateur. En fait, tout semi-conducteur de puissance repose sur une structure de diode PIN pour maintenir la tension ; on peut le voir sur la figure 2. Le MOSFET de puissance présente les avantages d'un dispositif à porteurs majoritaires, il peut donc atteindre une fréquence de fonctionnement très élevée, mais il ne peut pas être utilisé avec des tensions élevées ; comme il s'agit d'une limite physique, aucune amélioration n'est attendue dans la conception d'un MOSFET en silicium concernant ses tensions nominales maximales. Cependant, ses excellentes performances dans les applications basse tension en font le dispositif de choix (en fait le seul choix, actuellement) pour les applications avec des tensions inférieures à 200 V. En plaçant plusieurs dispositifs en parallèle, il est possible d'augmenter le courant nominal d'un commutateur. Le MOSFET est particulièrement adapté à cette configuration, car son coefficient de résistance thermique positif tend à entraîner un équilibre du courant entre les différents dispositifs.

L' IGBT est un composant récent, ses performances s'améliorent donc régulièrement au fur et à mesure de l'évolution de la technologie. Il a déjà complètement remplacé le transistor bipolaire dans les applications de puissance ; il existe un module de puissance dans lequel plusieurs dispositifs IGBT sont connectés en parallèle, ce qui le rend intéressant pour des niveaux de puissance allant jusqu'à plusieurs mégawatts, ce qui repousse encore plus loin la limite à partir de laquelle les thyristors et les GTO deviennent la seule option. Fondamentalement, un IGBT est un transistor bipolaire piloté par un MOSFET de puissance ; il présente les avantages d'être un dispositif à porteurs minoritaires (bonnes performances à l'état passant, même pour les dispositifs à haute tension), avec l'impédance d'entrée élevée d'un MOSFET (il peut être piloté en marche ou en arrêt avec une très faible quantité de puissance).

La principale limitation de l'IGBT pour les applications basse tension est la chute de tension élevée qu'il présente à l'état passant (2 à 4 V). Par rapport au MOSFET, la fréquence de fonctionnement de l'IGBT est relativement faible (généralement pas supérieure à 50 kHz), principalement en raison d'un problème lors de la désactivation connu sous le nom de queue de courant : la lente décroissance du courant de conduction lors de la désactivation résulte d'une lente recombinaison d'un grand nombre de porteurs qui inondent la région épaisse de « dérive » de l'IGBT pendant la conduction. Le résultat net est que la perte de commutation à la désactivation d'un IGBT est considérablement plus élevée que sa perte à la mise sous tension. En général, dans les fiches techniques, l'énergie de désactivation est mentionnée comme un paramètre mesuré ; ce nombre doit être multiplié par la fréquence de commutation de l'application prévue afin d'estimer la perte à la désactivation.

À des niveaux de puissance très élevés, un dispositif à base de thyristor (par exemple, un SCR , un GTO, un MCT , etc.) est encore souvent utilisé. Ce dispositif peut être activé par une impulsion fournie par un circuit de commande, mais ne peut pas être désactivé en supprimant l'impulsion. Un thyristor s'éteint dès qu'il n'y a plus de courant qui le traverse ; cela se produit automatiquement dans un système à courant alternatif à chaque cycle, ou nécessite un circuit avec les moyens de dévier le courant autour du dispositif. Les MCT et les GTO ont été développés pour surmonter cette limitation et sont largement utilisés dans les applications de distribution d'énergie .

Quelques applications des semi-conducteurs de puissance en mode commutation incluent les gradateurs de lampes , les alimentations à découpage , les cuisinières à induction , les systèmes d'allumage automobile et les entraînements de moteurs électriques à courant alternatif et continu de toutes tailles.

Les amplificateurs fonctionnent dans la région active, où le courant et la tension du dispositif sont non nuls. Par conséquent, la puissance est continuellement dissipée et sa conception est dominée par la nécessité d'éliminer l'excès de chaleur du dispositif semi-conducteur. Les dispositifs d'amplification de puissance peuvent souvent être reconnus par le dissipateur thermique utilisé pour monter les dispositifs. Il existe plusieurs types de dispositifs d'amplification à semi-conducteur de puissance, tels que le transistor à jonction bipolaire, le transistor à effet de champ MOS vertical et d'autres. Les niveaux de puissance des dispositifs d'amplification individuels vont jusqu'à des centaines de watts, et les limites de fréquence vont jusqu'aux bandes micro-ondes inférieures. Un amplificateur de puissance audio complet, avec deux canaux et une puissance nominale de l'ordre de dizaines de watts, peut être placé dans un petit boîtier de circuit intégré, ne nécessitant que quelques composants passifs externes pour fonctionner. Une autre application importante des amplificateurs en mode actif est dans les alimentations régulées linéaires, lorsqu'un dispositif amplificateur est utilisé comme régulateur de tension pour maintenir la tension de charge à un réglage souhaité. Bien qu'une telle alimentation puisse être moins économe en énergie qu'une alimentation à découpage , la simplicité d'application les rend populaires, en particulier dans les plages de courant allant jusqu'à environ un ampère.

1. Tension de claquage : Souvent, il existe un compromis entre la tension de claquage nominale et la résistance à l'état passant, car l'augmentation de la tension de claquage en incorporant une région de dérive plus épaisse et moins dopée conduit à une résistance à l'état passant plus élevée.
2. Résistance à l'état passant : un courant nominal plus élevé diminue la résistance à l'état passant en raison du nombre plus élevé de cellules parallèles. Cela augmente la capacité globale et ralentit la vitesse.
3. Temps de montée et de descente : Le temps nécessaire pour passer de l'état activé à l'état désactivé.
4. Zone de fonctionnement sûre : il s'agit d'une considération de dissipation thermique et de « verrouillage ».
5. Résistance thermique : il s'agit d'un paramètre souvent ignoré mais extrêmement important du point de vue de la conception pratique. Un semi-conducteur ne fonctionne pas bien à température élevée et pourtant, en raison d'une conduction de courant importante, un dispositif à semi-conducteur de puissance chauffe invariablement. Par conséquent, de tels dispositifs doivent être refroidis en évacuant cette chaleur en continu. La technologie de conditionnement et de dissipateur thermique fournit un moyen d'évacuer la chaleur d'un dispositif à semi-conducteur en la conduisant vers l'environnement extérieur. En général, un dispositif à courant élevé présente une grande surface de matrice et de conditionnement et une résistance thermique plus faible.

Le rôle de l'emballage est de :

• connecter une matrice au circuit externe.
• fournir un moyen d’évacuer la chaleur générée par l’appareil.
• protéger la matrice de l'environnement extérieur (humidité, poussière, etc.).

De nombreux problèmes de fiabilité d'un dispositif électrique sont liés à une température excessive ou à la fatigue due aux cycles thermiques. Des recherches sont actuellement menées sur les sujets suivants :

• Performances de refroidissement.
• Résistance aux cycles thermiques en faisant correspondre étroitement le coefficient de dilatation thermique de l'emballage à celui du silicium.
• La température maximale de fonctionnement du matériau d'emballage.

Des recherches sont également en cours sur des problématiques électriques comme la réduction de l'inductance parasite des packagings ; cette inductance limite la fréquence de fonctionnement, car elle génère des pertes lors de la commutation.

Un MOSFET basse tension est également limité par la résistance parasite de son boîtier, car sa résistance intrinsèque à l'état passant est aussi faible qu'un ou deux milliohms.

Certains des types de boîtiers de semi-conducteurs de puissance les plus courants incluent le TO-220, le TO-247, le TO-262, le TO-3, le D ² Pak, etc.

La conception des IGBT est encore en cours de développement et on peut s'attendre à ce qu'elle augmente les tensions de fonctionnement. Dans la gamme des puissances élevées, le thyristor à commande MOS est un dispositif prometteur. Il permet d'obtenir une amélioration majeure par rapport à la structure MOSFET conventionnelle en utilisant le principe d'équilibrage de charge de la superjonction : essentiellement, il permet à la région de dérive épaisse d'un MOSFET de puissance d'être fortement dopée, réduisant ainsi la résistance électrique au flux d'électrons sans compromettre la tension de claquage. Ceci est juxtaposé à une région qui est dopée de manière similaire avec la polarité opposée des porteurs ( trous ) ; ces deux régions similaires, mais dopées de manière opposée, annulent efficacement leur charge mobile et développent une « région appauvrie » qui supporte la haute tension pendant l'état désactivé. D'autre part, pendant l'état activé, le dopage plus élevé de la région de dérive permet un flux facile de porteurs, réduisant ainsi la résistance à l'état activé. Des dispositifs commerciaux, basés sur ce principe de superjonction, ont été développés par des sociétés comme Infineon (produits CoolMOS) et International Rectifier (IR).

La percée majeure dans les dispositifs à semi-conducteurs de puissance est attendue du remplacement du silicium par un semi-conducteur à large bande interdite. À l'heure actuelle, le carbure de silicium (SiC) est considéré comme le plus prometteur. Une diode Schottky SiC avec une tension de claquage de 1200 V est disponible dans le commerce, tout comme un JFET de 1200 V. Comme ces deux dispositifs sont à porteurs majoritaires, ils peuvent fonctionner à grande vitesse. Un dispositif bipolaire est en cours de développement pour des tensions plus élevées (jusqu'à 20 kV). Parmi ses avantages, le carbure de silicium peut fonctionner à une température plus élevée (jusqu'à 400 °C) et présente une résistance thermique plus faible que le silicium, ce qui permet un meilleur refroidissement.