Diode parasite formée entre source et drain par la structure même du MOSFET de puissance. Utilisable comme diode de roue libre dans un onduleur, mais son recouvrement inverse doit être surveillé.
Nom japonais: ボディダイオード
Domaine: Semi-conducteurs de puissance
Un MOSFET est un composant à quatre bornes : grille, source, drain et substrat (body). Dans un MOSFET de puissance vertical à canal n, la métallisation de source contacte à la fois la source n+ et le body de type p, principalement pour fixer le potentiel du body et empêcher la mise en conduction du transistor bipolaire parasite formé par la source, le body et la zone de dérive. Ce court-circuit body-source laisse la jonction entre le body p et la zone de dérive n- connectée entre source et drain : une diode dont l'anode est à la source et la cathode au drain, qui conduit lorsque le drain est tiré sous le potentiel de la source.
Dans les onduleurs et les variateurs de moteur, le courant d'une charge inductive doit continuer à circuler lorsqu'un interrupteur se bloque. Pendant le temps mort, lorsque les deux interrupteurs d'un demi-pont sont bloqués pour éviter la conduction croisée (shoot-through), ce courant traverse la diode de structure du MOSFET opposé : celle-ci sert donc de diode de roue libre sans composant supplémentaire. Pour réduire les pertes par conduction, on rend généralement le canal du MOSFET passant pendant la conduction inverse, ce qu'on appelle le redressement synchrone : le courant passe alors par le canal à faible résistance au lieu de subir la chute de tension directe de la diode.
La diode de structure est une jonction PN bipolaire : pendant qu'elle conduit, des porteurs minoritaires sont stockés dans la zone de dérive. Lorsque l'interrupteur opposé se met à conduire et inverse la tension, cette charge stockée doit être évacuée, ce qui produit un pic de courant inverse qui ajoute des pertes de commutation, sollicite l'interrupteur et provoque des oscillations et des perturbations électromagnétiques. Dans les MOSFET de puissance en silicium, le recouvrement inverse est relativement lent : les conceptions à commutation rapide minimisent donc le temps de conduction de la diode ou ajoutent une diode rapide externe. Les diodes de structure des MOSFET SiC stockent bien moins de charge et recouvrent beaucoup plus vite.
Le SiC apporte son propre problème. En raison de sa large bande interdite, une diode de structure SiC présente une tension directe élevée, typiquement de l'ordre de 3 V ou plus, et le courant direct qui la traverse peut déclencher une dégradation bipolaire : l'énergie libérée par la recombinaison électron-trou étend les dislocations du plan basal du cristal en fautes d'empilement, des défauts plans qui gênent la conduction et augmentent la tension à l'état passant au fil du temps. Parmi les remèdes figurent des couches tampons épitaxiales qui convertissent pendant la croissance les dislocations du plan basal en un type inoffensif, et l'intégration de diodes Schottky afin que la diode de structure ne conduise pas de courant.
Tout MOSFET possède des jonctions PN entre son body et sa source ou son drain, mais dans les MOSFET de puissance discrets, le body est relié à la source, si bien que l'une de ces jonctions apparaît comme une diode entre source et drain. Les HEMT GaN n'ont pas de telle jonction PN et donc pas de diode de structure, bien qu'ils puissent tout de même conduire en inverse par le canal.
Souvent oui, en particulier avec le redressement synchrone et les MOSFET SiC. Avec les diodes de structure plus lentes du silicium, les circuits à commutation rapide peuvent ajouter une diode rapide ou Schottky externe pour limiter les pertes de recouvrement inverse.
C'est une jonction PN bipolaire : la conduction directe stocke des porteurs minoritaires dans la zone de dérive, et cette charge doit être évacuée avant que la diode puisse bloquer la tension, ce qui provoque un bref courant inverse.
Circuit d'amortissement (snubber) Commutation douce (soft switching) Convertisseur DC-DC Courant de traînée (tail current) IGBT MOSFET à superjonction MOSFET de puissance Normalement bloqué (normally-off) Pertes de commutation Pilote de grille (gate driver)