Au fil du temps, l'industrie a considérablement approfondi sa connaissance des propriétés des cristaux de silicium utilisés pour concrétiser la loi de Moore. Par exemple, il y a une vingtaine d'années, la déformation des cristaux est devenue cruciale pour le développement des transistors. Cette technologie utilise des couches de matériaux pour déformer localement le réseau cristallin du silicium afin d'améliorer la mobilité des porteurs de charge électrique. Ce type d'ingénierie cristalline a contribué à réintroduire dans l'industrie les semi-conducteurs non-silicium et composites, auparavant considérés comme trop difficiles à utiliser, trop coûteux ou trop fragiles, malgré leurs propriétés électriques supérieures.
Les procédés de fabrication et les matériaux sont fondamentaux pour le progrès
Le nitrure de gallium (GaN), par exemple, a été étudié comme matériau semi-conducteur il y a un demi-siècle, mais les dispositifs fabriqués à partir de ce matériau nécessitaient l'utilisation de substrats de saphir coûteux et fragiles. Aujourd'hui, il est possible de déposer des films de GaN de manière fiable et sans défaut sur la surface d'une plaquette de silicium. Cette avancée a permis une production croissante de dispositifs haute performance. De même, les progrès réalisés dans les procédés de fabrication ont conduit à la création de composés de silicium tels que le carbure de silicium (SiC), dont la dureté est presque équivalente à celle du diamant et qui se prête bien à une production en grande série.
Les semi-conducteurs GaN et SiC se caractérisent par des bandes interdites entre les bandes de valence et de conduction trois fois plus larges que celles des dispositifs en silicium conventionnels. Cette propriété, associée à d'autres caractéristiques de ces semi-conducteurs, les rend idéaux pour les circuits de puissance. Ces matériaux présentent des valeurs de champ critique dix fois supérieures à celles des dispositifs en silicium classiques. Il en résulte une tension de claquage plus élevée, permettant de réduire la taille et le coût des transistors utilisés dans les alimentations et autres circuits exigeant une capacité à supporter des niveaux de tension et de courant élevés.
Grâce à des valeurs de champ critique et une tension de claquage plus élevées, la zone de dérive d'un transistor ou d'une diode verticale peut être beaucoup plus étroite avec le SiC qu'avec le silicium. Ceci permet non seulement de réduire la résistance à l'état passant, et donc les pertes de puissance lors du passage du courant, mais aussi d'obtenir des temps de recouvrement plus courts, car le nombre de porteurs minoritaires à éliminer est moindre, par exemple dans une diode polarisée en inverse. Un composant comme le WNSC021200 de WeEn Semiconductors présente une charge de recouvrement de seulement 10 nC, bien inférieure à celle des diodes PiN en silicium.
La taille et la mobilité comme catalyseurs pour les applications futures
La taille réduite du transistor permet de diminuer les éléments parasites, tels que la capacité de grille et de sortie. L'ensemble de ces effets se traduit par des fréquences de commutation plus élevées dans les alimentations à découpage et les circuits similaires. Les dispositifs GaN, par exemple, peuvent supporter des fréquences de commutation bien supérieures à 1 MHz. À ces fréquences, il est également possible d'utiliser des composants passifs plus petits, généralement employés pour lisser les transitoires de commutation. On obtient ainsi une alimentation plus compacte et plus efficace.
Certains fabricants, comme Power Integrations, ont exploité les propriétés du GaN pour créer des circuits intégrés destinés aux commutateurs d'alimentation. L'INN3276C-H204, un circuit intégré de commutation flyback hors ligne avec commutateur primaire intégré, en est un exemple : il est idéal pour les applications de charge de batteries à puissance constante. Ce composant supporte une puissance de sortie jusqu'à 35 W ; d'autres produits de la gamme PowiGaN de la société peuvent supporter jusqu'à 100 W de puissance de sortie sans dissipateur thermique.
Une autre caractéristique du GaN est sa mobilité de porteurs intrinsèquement supérieure : près de 40 % plus élevée que celle du silicium. Cette mobilité élevée résulte de la formation d’un gaz d’électrons bidimensionnel aux interfaces entre les matériaux du composant, une caractéristique intrinsèque des transistors HEMT (transistors à haute mobilité électronique) que l’on retrouve également dans d’autres matériaux, comme l’arséniure de gallium (GaAs). Cette mobilité élevée a permis l’utilisation du GaN dans des applications telles que les stations de base et l’instrumentation scientifique. Les dispositifs Nexperia sont spécifiquement conçus pour ce secteur de marché.
Au-delà des applications RF dans les communications cellulaires, on observe une interdépendance croissante entre la conception RF et l'alimentation électrique dans le domaine en pleine expansion de la recharge sans fil. La norme AirFuel, par exemple, requiert une fréquence de transmission de 6,78 MHz. Des composants tels que les transistors de puissance CoolGaN d'Infineon Technologies sont parfaitement adaptés aux topologies d'amplificateurs de classe D et de classe E utilisées dans ces applications.
La capacité du SiC à supporter des fréquences de commutation plus élevées que le silicium a permis son utilisation dans des équipements médicaux haute tension, tels que les appareils de radiographie, ainsi que dans d'autres applications de gestion de puissance. Les performances de commutation quasi instantanées des MOSFET SiC, comme ceux de la série SCT3 de ROHM, sont optimisées dans la série xR par la configuration à quatre broches du boîtier TO-247 modifié. Cette conception est utilisée dans des composants tels que le SCT3060ARC14, un MOSFET de 39 A et 650 V, afin de réduire les pertes de commutation jusqu'à 35 % par rapport aux boîtiers classiques à trois broches. Une connexion source-drain séparée du circuit de commande de grille contribue à minimiser l'inductance parasite, ce qui permet d'accroître la vitesse de commutation du circuit.
Un autre avantage clé de ces semi-conducteurs à large bande interdite réside dans leur capacité à fonctionner à haute température, ce qui permet de réduire considérablement la taille et le coût. Par exemple, contrairement aux MOSFET en silicium, qui nécessitent de grands dissipateurs thermiques pour éviter les pertes dues à des résistances de conduction plus élevées et aux températures élevées, les transistors SiC n'ont pas besoin de dissipateurs thermiques importants pour dissiper la chaleur. Le SiC surpasse le GaN en offrant la possibilité de fonctionner dans des conditions extrêmes. C'est pourquoi le SiC est devenu un choix de plus en plus populaire pour les circuits dans les applications automobiles, militaires et de forage : il peut être monté près du compartiment moteur, des freins ou des têtes de forage et conserver sa fonctionnalité jusqu'à 200 °C. Pour résister à ces températures élevées, ces dispositifs sont souvent fournis sous forme de puces exposées, destinées à être intégrées dans des boîtiers haute température spécialisés. Cependant, nombre de ceux conditionnés dans des boîtiers courants, tels que DPAK ou TO-247, fabriqués notamment par Genesic Semiconductor, Littelfuse et OnSemi, fonctionnent à des températures de jonction allant jusqu'à 175 °C.
Contrôle intelligent et meilleure mise en œuvredes technologies
Les hautes fréquences de commutation des semi-conducteurs à large bande interdite permettent aux concepteurs d'exploiter des techniques de commande novatrices, telles que la conversion matricielle. Cette dernière utilise des calculs de modulation vectorielle spatiale pour piloter des moteurs à courant alternatif haute performance au sein d'une architecture adaptable à une plus grande variété de systèmes d'alimentation, offrant ainsi une alternative aux vitesses de commutation plus élevées des topologies conventionnelles. Les performances du circuit de commande de grille sont tout aussi cruciales dans toutes ces architectures de circuits à commutation rapide. Outre la création de la gamme de dispositifs de puissance CoolGaN et des transistors et diodes CoolSiC, Infineon a investi dans des technologies telles que EiceDriver. EiceDriver est un circuit de commande de grille qui exploite des niveaux élevés de réjection en mode commun afin de permettre l'utilisation de topologies non isolées dans un plus grand nombre d'applications, réduisant ainsi le coût des composants.
Le besoin de contrôle intelligent stimule le développement de dispositifs de puissance hautement intégrés, combinant microcontrôleurs et transistors de puissance et tirant parti des progrès réalisés dans la fabrication sur puce (SiP). STMicroelectronics a récemment annoncé l'initiative STi2GaN, qui intègre des étages de puissance GaN et une logique de contrôle utilisant la notation BCD, ainsi que des contrôleurs et des circuits d'isolation, dans une seule puce SiP. Le couplage étroit de ces éléments de circuit permet de concevoir des alimentations fonctionnant à des fréquences de l'ordre du mégahertz et de réduire l'encombrement global de la carte, un aspect de plus en plus crucial pour la conception de véhicules électriques où de nombreux composants doivent être assemblés en parallèle, ainsi que pour les chargeurs de batteries grand public.
À mesure que les matériaux à large bande interdite seront mieux compris, leur intégration aux circuits en silicium favorisera le développement de nombreuses applications. Il est aisé de comprendre pourquoi de nombreux dispositifs conventionnels en silicium sont progressivement remplacés dans divers domaines. Un distributeur technique expérimenté comme Farnell peut conseiller les ingénieurs sur les applications les plus avantageuses du GaN, du SiC et des technologies apparentées, et les informer sur la manière dont les fabricants de dispositifs les intègrent dans de nouvelles applications.
Par Cliff Ortmeyer, responsable mondial du marketing technique chez Farnell
