Support de cours sur les composants électronique de puissance

Support de cours sur les composants électronique de puissance en PDF

....

Première partie I

Structure des composants de puissance

Objectifs de cette présentation

Savoir choisir un composant actif de puissance

• Grandeurs associées aux composants actifs de puissance
• En connaître les différentes familles

Vous donner des éléments de technologie

• Savoir comment est fabriqué un composant
• Voir l’influence de la fabrication sur les performances

Discuter un peu des développements futurs

• Quels sont les axes de recherche ?
• Quelles sont les évolutions à venir ?

Tendances de l’électronique de puissance

Nouvelles applications

Énergies renouvelables

Automobile

• Véhicules hybrides/électriques
• Haut rendement
• Bas coût

Aéronautique

Tendances de l’électroni

Tendances de l’électronique de puissance

Élargissement des domaines d’application

mW-W

W-kW

kW-MW

MW-GW

Station du réseau HVDC néo-zélandais (350 kV) Source : wikipedia

• Mêmes principes à toutes les échelles
• Multiplication des convertisseurs
• Apport de nouvelles fonctionnalités au système
• vitesse variable
• véhicule hybride

Tendances de l’électronique de puissance

Amélioration des performances

Compacité

• Augmentation des densités de puissance
• Augmentation de tension/courant/fréquence

Rendement

I Réduction des pertes, donc du refroidissement

I Augmentation d’autonomie. . .

Fiabilité

• Résistance au cyclage thermique
• Très longue durée de vie (30 ans)

Tendances de l’électronique de puissance

Amélioration des performances

Compacité

• Augmentation des densités de puissance
• Augmentation de tension/courant/fréquence

Rendement

• Réduction des pertes, donc du refroidissement
• Augmentation d’autonomie. . .

Fiabilité

• Résistance au cyclage thermique
• Très longue durée de vie (30 ans)

Tendances de l’électronique de puissance

Amélioration des performances

Compacité

• Augmentation des densités de puissance
• Augmentation de tension/courant/fréquence

Rendement

• Réduction des pertes, donc du refroidissement
• Augmentation d’autonomie. . .

Fiabilité

• Résistance au cyclage thermique
• Très longue durée de vie (30 ans)

…

Rappels de physique du semiconducteur – le dopage intrinsèque

• l’agitation thermique crée des paires électrons-trous ni ∝ e −Eg 2kT , k constante de Boltzmann, T température absolue, Eg largeur de bande interdite. pour Si, ni ≈ 1010cm−3 à 300K
• ajout d’atomes pentavalents (donneurs) : excès d’électrons, dopage N
• ajout d’atomes trivalents (accepteurs) : excès de trous, dopage P
• Ordres de grandeur : Si : 1023 atomes/cm3 . Densité de dopants : 1016 à 1019/cm3
• Charges positives fixes
• Charges négatives mobiles
• au repos, neutralité électrique
• électrons évacuées : charge d’espace positive.

… …

Exercices

On considère une jonction PN avec des dopages P (NA) très largement supérieurs au dopage N (ND)

I dessinez le profil du champ électrique de cette jonction.

On nommera −Emax la valeur de E à l’interface P/N

I donnez l’expression de E(x) en considérant x = 0 à l’interface P/N

I donnez l’expression de la largeur de la zone de charge d’espace w

I donnez l’expression de la tension supportée par la jonction

En considérant r = 11, 7 pour le silicium,

0 = 8.85.10−14 F.cm−1

, q = −1.6.10−19 C, un niveau de dopage de 1014

.cm−3 et un champ de claquage EBD = 2.105 V.cm−1

I Donnez la largeur de la zone de charge d’espace et la tension maximale que cette jonction peut supporter.

La diode bipolaire, base des composants actifs

I présente dans (presque) toutes les structures

I Jonction PN avec zone faiblement dopée N

(N −, ν ou i pour intrinsèque)

I Responsable de la tenue en tension du composant

Polarisation directe

I à faible courant, forte résistivité de la couche ν (faible dopage)

I à fort courant, les zones P+ et N+ injectent des porteurs dans la zone ν (modulation)

I beaucoup plus de porteurs libres ➜ fort dopage apparent➜ faible résistivité

I ces charges devront être évacuées lors de l’ouverture de la diode

➜ recouvrement

I Il y a un compromis entre diodes rapides (faible recouvrement) et faibles pertes en conduction (forte modulation)

➜ recombinaison des porteurs, non traitée ic

Paramètres de conception

Objectif : créer une diode avec la plus forte tenue en tension inverse, et la plus faible chute de tension en direct

Une diode polarisée en inverse

I La surface colorée ∝ V

I les pentes de E ∝ dopage

I lorsque V augmente, la ZCE s’étend

I si Emax>Ecritique : claquage

I si on réduit le dopage de la zone ν, E diminue

Paramètres de conception :

I Niveau de dopage ND de la zone ν (définit le profil de E)

I Largeur W de la zone ν (modifie la “résistance” en direct)

I Tension à supporter en inverse

Exercices

On considère une jonction PνN avec un dopage P et N+ très largement supérieur au dopage ν (ND)

I dessinez le profil du champ électrique de cette jonction, en considérant que la zone de charge d’espace remplit largement la couche ν. On nommera −Emax la valeur de E à l’interface P/ν et −E2 la valeur de E à l’interface ν/N+

I donnez l’expression de E(x) en fonction de Emax en considérant x = 0 à l’interface P/ν

I donnez l’expression de la tension supportée par la jonction

En considérant r = 11, 7 pour le silicium,

0 = 8.85.10−14 F.cm−1

, q = 1.6.10−19 C, un niveau de dopage de 1014

.cm−3 et un champ de claquage

EBD = 2.105 V.cm−1

I Donnez la tension maximale que cette jonction peut supporter pour une largeur de zone ν de 100 µm

Optimisation de la structure

I ligne diagonale :

limite du champ

critique, structure PN

I Courbes

horizontales :

structure PνN

image source : “Dispositifs de l’électronique de puissance”, J. Arnould et

1. Merle, 1992, Hermès, Paris, tome 1, p 235)

Protections périphériques

I Champ électrique supporté par le silicium : 20 V/µm, dans l’air : 2 à 6 V/µm

I Création de défauts cristallins lors de la découpe des puces

I Dispositifs spécifiques en périphérie pour supporter la tension

I objectif : assurer l’étalement des lignes de champ électrique dans tout le composant

Comportement dynamique

I Les charges injectées durant la conduction doivent être évacuées

➜ Phénomène de recouvrement

I Réduction du recouvrement ➜ dégradation conduction

image source : “Dispositifs de l’électronique de puissance”, J. Arnould et P. Merle, 1992,

Hermès, Paris, tome 1

Diodes – Résumé

En résumé :

I Une diode supporte une forte tension si :

I Elle possède une zone faiblement dopée et relativement large

I Elle aura de faibles pertes en conduction si :

I on a une forte modulation dans la zone faiblement dopée, et que celle-ci est étroite (durée de vie des porteurs)

I Elle aura de faibles pertes en commutation si :

I il y a peu de modulation de la zone faiblement dopée (recouvrement faible)

.. ...

MOSFET – contributions à la résistance à l’état passant

I Composant unipolaire : pas de modulation

➜ résistivité définie par le dopage

I RS : résistance de source (y compris externe)

I Rch : résistance du canal (modulée par la grille)

I Rn : résistance de la zone N−

I RD résistance de drain (y compris externe)

MOSFET – structure cellulaire

La composante Rch est proportionnelle à la largeur de canal du

MOSFET

➜ structure cellulaire pour augmenter la densité de canal

I Différentes géométries existantes (cellules carrées, hexagonales, en bandes. . .)

I Réduction de la taille cellulaire pour augmenter encore la densité (1-2 µm par cellule actuellement)

...

IGBT

I Grossièrement équivalent à un MOSFET pilotant un transistor bipolaire

I simplicité de commande du MOSFET (grille isolée)

I performance à fort courant du transistor bipolaire

I 1-3 V de chute de tension à l’état passant

I Composant bipolaire, donc à résistance à l’état passant plus faible

Exercices

Sur la caractéristique précédente, que l’on considérera graduée en ampères sur l’axe y :

I Indiquez où se trouve la caractéristique à l’état bloqué

I Indiquez la caractéristique à l’état passant à préférer

I Donnez les pertes en conduction minimales à 20 A. à quelle condition sont-elles obtenues ?

... ...

Vue d’ensemble

I Fabrication du matériau semiconducteur monocristallin

I découpe en tranches (wafers)

I réalisation des composants sur les wafers (dopage, gravure, dépôt d’oxyde, métallisations . . .)

I plusieurs dizaines ou centaines d’étapes

I traitement collectif (plusieurs centaines ou milliers de composants à la fois)

I test électrique sous pointes

I Découpe des wafers en puces

I Montage dans un boîtier

I Test final