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.

CritèreSi (silicium)SiC (carbure de silicium)
Bande interditeEnviron 1,12 eVEnviron 3,26 eV (4H-SiC)
Champ de claquageEnviron 0,3 MV/cmEnviron 3 MV/cm (environ 10 fois celui du silicium)
Conductivité thermiqueEnviron 1,5 W/(cm·K)Élevée (environ 3 fois celle du silicium)
Densité intrinsèque de porteurs à température ambianteEnviron 1 × 10¹⁰ cm⁻³Extrêmement 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 tensionIGBT. En basse tension, MOSFET de puissance et MOSFET à superjonctionMOSFET et diodes Schottky. Même à haute tension, on peut employer des composants unipolaires, sans porteurs minoritaires
Pertes de commutationL’IGBT subit à l’ouverture un courant de traînée (tail current) qui augmente les pertes et limite la montée en fréquencePas de courant de traînée et presque pas de recouvrement inverse de diode : pertes faibles et fonctionnement possible à haute fréquence
Tenues en tension typiquesLarge 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 températureTempérature de jonction généralement limitée à environ 150 à 175 °CLe 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 coûtWafers de grand diamètre jusqu’à 300 mm disponibles à bas coût, procédés de fabrication éprouvésPrincipalement en 150 mm, avec une transition en cours vers 200 mm. La croissance cristalline est difficile ; wafers et puces sont chers
Principaux défisEn haute tension et à haute fréquence, on approche des limites physiques du matériauQualité 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 principauxAlimentations d’électroménager et de PC, onduleurs industriels, la plupart des circuits d’alimentation automobilesOnduleurs 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.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Si (silicium)
Quand le coût est prioritaire : alimentations de quelques centaines de volts ou moins, onduleurs à fort courant dont la fréquence de commutation n’est pas très élevée, etc. Son historique d’utilisation et ses volumes d’approvisionnement sont aussi des atouts.
SiC (carbure de silicium)
Pour réduire les pertes à haute tension, ou pour rendre l’équipement plus petit et plus léger. Dans un véhicule électrique, le meilleur rendement de l’onduleur permet d’allonger l’autonomie avec la même batterie.
Choisir entre les deux
Les composants SiC étant chers, leur adoption progresse d’abord là où les avantages au niveau du système (moins de pertes, refroidissement et composants passifs plus petits) l’emportent sur le surcoût des composants. Pour les applications jusqu’à quelques centaines de volts qui exigent une commutation particulièrement rapide, le GaN est aussi une option.

Questions fréquentes

Pourquoi le SiC convient-il mieux que le silicium aux hautes tensions ?

Parce que son champ de claquage est environ 10 fois celui du silicium. Pour une même tenue en tension, la couche de drift peut être environ 10 fois plus mince et environ 100 fois plus dopée, ce qui réduit fortement la résistance à l’état passant.

Le MOSFET SiC va-t-il remplacer l’IGBT en silicium ?

Le remplacement progresse dans les applications où le rendement est primordial, comme les onduleurs de véhicules électriques. Mais les composants SiC étant chers, l’IGBT en silicium reste largement utilisé dans les applications sensibles au coût et dans les applications industrielles à fort courant.

Quels sont les inconvénients du SiC ?

Des wafers et des puces chers, de nombreux défauts cristallins qui rendent le rendement de fabrication difficile à améliorer, et une interface de mauvaise qualité avec l’oxyde de grille, qui réduit la mobilité dans le canal. En outre, la commutation rapide impose des mesures contre le bruit et les surtensions dus aux variations brusques de tension.

Comment choisir entre SiC et GaN ?

Le SiC, en composants verticaux, excelle en haute tension et en fort courant, et convient aux onduleurs de véhicules électriques et aux applications industrielles. Le GaN, surtout sous forme de HEMT latéraux, commute très rapidement jusqu’à environ 650 V et sert dans les chargeurs compacts et les alimentations de centres de données.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la principale raison pour laquelle le SiC (carbure de silicium) est plus avantageux que le Si pour les composants de puissance haute tension ?

  1. ASon champ de claquage est environ 10 fois plus élevé que celui du Si
  2. BSa bande interdite est plus petite que celle du Si
  3. CSes plaquettes sont moins chères que celles du Si et leur diamètre s'agrandit plus facilement
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Réponse : A. Son champ de claquage est environ 10 fois plus élevé que celui du Si

Le SiC a une grande bande interdite, d'environ 3,3 eV, et un champ de claquage environ 10 fois supérieur à celui du Si (environ 3 MV/cm). Pour une même tenue en tension, la couche de dérive peut être environ 10 fois plus mince et environ 100 fois plus dopée, si bien que sa résistance est théoriquement divisée par plusieurs centaines. Sa conductivité thermique, environ 3 fois celle du Si, le rend résistant aux hautes températures, et son adoption s'étend notamment aux onduleurs de VE. En revanche, ses plaquettes sont plus chères que celles du Si, et le passage aux grands diamètres (8 pouces) est encore en cours.

Comment désigne-t-on collectivement les semi-conducteurs dont la bande interdite est plus grande que celle du silicium, comme le SiC et le GaN ?

  1. ASemi-conducteurs à large bande interdite
  2. BSemi-conducteurs à bande interdite étroite
  3. CSemi-conducteurs amorphes
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Réponse : A. Semi-conducteurs à large bande interdite

Les semi-conducteurs dont la bande interdite atteint environ 2 à 3 eV ou plus sont dits à large bande interdite ; le SiC (environ 3,3 eV) et le GaN (environ 3,4 eV) en sont les représentants. Leur champ de claquage élevé et leur faible densité de porteurs intrinsèques leur permettent de fonctionner à haute température ; ils servent aux composants de puissance haute tension à faibles pertes et aux composants haute fréquence. Le Ga2O3 (environ 4,8 eV) et le diamant (environ 5,5 eV), encore plus larges, sont appelés semi-conducteurs à ultra-large bande interdite.

Quel est le principal avantage de l'utilisation de composants de puissance SiC dans l'onduleur d'un véhicule électrique ?

  1. AIls sont toujours moins chers que le silicium
  2. BLeurs faibles pertes allongent l'autonomie et permettent de réduire la taille du système de refroidissement
  3. CLe moteur devient inutile
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Réponse : B. Leurs faibles pertes allongent l'autonomie et permettent de réduire la taille du système de refroidissement

Les composants SiC ayant une faible résistance à l'état passant, de faibles pertes par commutation et une bonne tenue en température, ils réduisent les pertes de l'onduleur d'un VE. Moins de pertes signifie une autonomie allongée de quelques % à environ 10 % avec la même batterie, ainsi qu'un refroidissement et un onduleur plus compacts et plus légers. Leur diffusion s'est accélérée depuis leur adoption à grande échelle dans la Tesla Model 3 en 2018, et l'effet est particulièrement important avec les batteries haute tension de classe 800 V. Leur défaut est un coût supérieur à celui des IGBT Si.

  1. Quel est le principal avantage des diodes Schottky SiC utilisées comme diodes de roue libre dans les onduleurs ?
  2. Lequel des points suivants est connu comme l'un des problèmes des MOSFET SiC ?
  3. Quelle cause connue peut dégrader les caractéristiques d'un MOSFET SiC lorsqu'un courant traverse durablement sa diode de corps ?

Questions d'entraînement sur Semi-conducteurs de puissance

Termes clés expliqués

SiC (carbure de silicium)
Semi-conducteur à large bande interdite d'environ 3,3 eV. Son champ de claquage élevé en fait un matériau de choix pour les composants de puissance haute tension et à faibles pertes.
4H-SiC
Polytype de SiC principalement utilisé pour les composants de puissance. Sa bande interdite est large, d'environ 3,3 eV, et la mobilité des électrons est relativement élevée.
IGBT
Transistor bipolaire à grille isolée. Commandé par une grille MOS, il obtient grâce à la modulation de conductivité une faible tension à l'état passant, même à haute tension de blocage.
Résistance à l'état passant (RDS(on))
Résistance du chemin de conduction d'un semi-conducteur de puissance à l'état passant. Plus elle est faible, plus les pertes en conduction sont réduites.
Courant de traînée (tail current)
Courant qui, à l'ouverture d'un IGBT, ne s'annule pas immédiatement à cause des porteurs minoritaires stockés et continue de circuler en traînée. Source de pertes à l'ouverture.
Semi-conducteur à large bande interdite
Semi-conducteur dont la bande interdite est plus large que celle du silicium, comme SiC ou GaN. Champ de claquage élevé, adapté au fonctionnement à haute tension et haute température.

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