Composants de puissance Si vs SiC : propriétés, tenue en tension, pertes, usages
Le SiC est un semi-conducteur à large bande interdite dont la bande interdite est environ 3 fois celle du silicium et le champ de claquage environ 10 fois. À tenue en tension égale, la couche de drift peut être plus mince et plus fortement dopée : la résistance à l’état passant baisse nettement, et l’on peut utiliser même à haute tension des composants rapides comme les MOSFET et les diodes Schottky. Le silicium, lui, reste dominant dans de nombreuses applications grâce à des wafers bon marché et de grand diamètre et à des procédés de fabrication éprouvés.
| Critère | Si (silicium) | SiC (carbure de silicium) |
|---|---|---|
| Bande interdite | Environ 1,12 eV | Environ 3,26 eV (4H-SiC) |
| Champ de claquage | Environ 0,3 MV/cm | Environ 3 MV/cm (environ 10 fois celui du silicium) |
| Conductivité thermique | Environ 1,5 W/(cm·K) | Élevée (environ 3 fois celle du silicium) |
| Densité intrinsèque de porteurs à température ambiante | Environ 1 × 10¹⁰ cm⁻³ | Extrêmement faible (de l’ordre de 10⁻⁹ cm⁻³). Les propriétés fixées par le dopage se conservent mieux à haute température |
| Principaux composants pour haute tension | IGBT. En basse tension, MOSFET de puissance et MOSFET à superjonction | MOSFET et diodes Schottky. Même à haute tension, on peut employer des composants unipolaires, sans porteurs minoritaires |
| Pertes de commutation | L’IGBT subit à l’ouverture un courant de traînée (tail current) qui augmente les pertes et limite la montée en fréquence | Pas de courant de traînée et presque pas de recouvrement inverse de diode : pertes faibles et fonctionnement possible à haute fréquence |
| Tenues en tension typiques | Large gamme, de quelques dizaines de V à quelques kV (IGBT pour les hautes tensions) | Principalement de 650 V à environ 3,3 kV |
| Fonctionnement à haute température | Température de jonction généralement limitée à environ 150 à 175 °C | Le matériau résiste bien à la chaleur. La limite réelle est souvent fixée par la fiabilité du boîtier, des matériaux d’assemblage et de l’oxyde de grille |
| Wafers et coût | Wafers de grand diamètre jusqu’à 300 mm disponibles à bas coût, procédés de fabrication éprouvés | Principalement en 150 mm, avec une transition en cours vers 200 mm. La croissance cristalline est difficile ; wafers et puces sont chers |
| Principaux défis | En haute tension et à haute fréquence, on approche des limites physiques du matériau | Qualité et fiabilité de l’interface avec l’oxyde de grille, dégradation de la diode de structure (body diode) due aux défauts cristallins, bruit lié à la commutation rapide |
| Usages principaux | Alimentations d’électroménager et de PC, onduleurs industriels, la plupart des circuits d’alimentation automobiles | Onduleurs de traction des véhicules électriques, chargeurs embarqués, bornes de recharge rapide, onduleurs photovoltaïques, ferroviaire |
Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.