Cet article présente principalement les domaines d'application et l'historique du développement des diodes en carbure de silicium, et explique en détail la classification et la structure des transistors MOS en carbure de silicium. Le carbure de silicium (SiC), communément appelé émeri, est le seul composant du silicium et du carbone. On le trouve à l'état naturel sous forme de moissanite, un minéral très rare. Cependant, le carbure de silicium en poudre est produit en grande quantité comme abrasif depuis 1893. Il est utilisé comme abrasif depuis plus d'un siècle, principalement dans les meules et pour de nombreuses autres applications abrasives.



Le carbure de silicium (SiC) présente une résistance élevée jusqu'à ce que la tension de seuil (VT) soit atteinte. Lorsque cette tension est atteinte, sa résistance diminue significativement jusqu'à ce que la tension appliquée descende en dessous de VT. Les premières applications électriques du SiC exploitant cette propriété étaient les parafoudres dans les réseaux de distribution électrique (voir figure).


Le carbure de silicium (SiC) étant doté d'une varistance, sa tige peut être connectée entre les lignes haute tension et la terre. En cas de foudre frappant une ligne électrique, la tension d'alimentation augmente et dépasse la tension de seuil (VT) du parafoudre SiC, dérivant ainsi le courant de foudre vers la terre (au lieu de la ligne électrique) et évitant tout dommage. Cependant, ces parafoudres SiC conduisent un courant trop important à la tension de fonctionnement normale de la ligne. C'est pourquoi les éclateurs doivent être connectés en série. Lors d'une surtension sur la ligne électrique due à la foudre, l'éclateur s'ionise et conduit l'électricité, assurant ainsi la connexion du parafoudre SiC entre la ligne et la terre. Par la suite, il a été constaté que l'éclateur utilisé par le parafoudre était peu fiable. En raison de défaillances matérielles, d'infiltrations de poussière ou de sel, il peut arriver que l'éclateur ne parvienne pas à amorcer l'arc électrique au moment opportun ou à l'éteindre après un impact de foudre. Les parafoudres en carbure de silicium ont été initialement conçus pour éliminer la dépendance aux éclateurs, mais en raison de leur fiabilité, les parafoudres en carbure de silicium à éclateur ont été pour la plupart remplacés par des varistances sans éclateur à noyau d'oxyde de zinc.

SiC dans l'électronique de puissance

De nombreux types de dispositifs semi-conducteurs sont fabriqués à partir de carbure de silicium, notamment les diodes Schottky (également appelées diodes à barrière Schottky ou SBD), les transistors à effet de champ de type J (ou JFET) et les transistors à effet de champ utilisés dans les applications de commutation de puissance. Certaines entreprises ont commencé à expérimenter l'utilisation de puces nues de diodes Schottky en carbure de silicium dans les modules d'électronique de puissance. De fait, les substrats de silicium sont largement utilisés dans les modules de puissance IGBT et les circuits de correction du facteur de puissance.

Avantages et inconvénients du SiC

L'un des principaux atouts des composants électroniques de puissance à base de carbure de silicium réside dans leur densité de dopage, presque cent fois supérieure à celle des dispositifs à base de silicium pour une tension de blocage donnée. On obtient ainsi une tension de blocage élevée associée à une faible résistance à l'état passant. Cette faible résistance est cruciale pour les applications de forte puissance, car elle réduit la chaleur générée, diminuant ainsi la charge thermique du système et améliorant son rendement global.



Cependant, la production de composants électroniques à base de carbure de silicium présente certaines difficultés, et l'élimination des défauts est devenue primordiale. Ces défauts entraînent de mauvaises propriétés de barrière inverse pour les composants fabriqués à partir de cristaux de SiC. Outre les problèmes de qualité cristalline, les problèmes d'interface entre le dioxyde de silicium et le SiC freinent également le développement des MOSFET de puissance et des transistors bipolaires à grille isolée à base de SiC. Heureusement, l'utilisation de la nitruration en production permet de réduire considérablement les défauts à l'origine de ces problèmes d'interface.

disque abrasif en SiC

Le carbure de silicium est encore utilisé comme abrasif dans de nombreuses applications industrielles. Il sert principalement de film de polissage dans l'industrie électronique pour polir les extrémités des fibres optiques avant leur épissure. Ce procédé permet d'obtenir des connecteurs de fibres optiques d'une grande finesse, garantissant ainsi un fonctionnement optimal. Le carbure de silicium est produit depuis plus d'un siècle, mais son utilisation dans l'électronique de puissance est plus récente. Grâce à ses propriétés physiques et électriques particulières, il est particulièrement adapté aux applications à haute pression et haute température.



Aujourd'hui, les diodes en carbure de silicium sont utilisées dans divers domaines.



1. Onduleur solaire.



Les diodes en carbure de silicium sont le matériau de base des diodes pour l'énergie solaire et surpassent la technologie des diodes bipolaires classiques sur plusieurs points techniques. Elles s'allument et s'éteignent très rapidement et ne présentent aucun courant de récupération inverse, contrairement aux diodes bipolaires traditionnelles. Grâce à l'élimination de ce courant, les diodes en carbure de silicium réduisent la consommation d'énergie de 70 % et conservent un rendement énergétique élevé sur une large plage de températures, offrant ainsi aux concepteurs une plus grande flexibilité pour optimiser la fréquence de fonctionnement du système.



2. Chargeur pour véhicules à énergies nouvelles.



Après avoir passé avec succès les tests destinés aux produits automobiles, la tension de claquage des diodes en carbure de silicium a été portée à 650 volts, répondant ainsi aux exigences des concepteurs et des constructeurs automobiles en matière de réduction du coefficient de compensation de tension. Ceci garantit une marge de sécurité suffisante entre la tension nominale et la tension de crête instantanée des composants semi-conducteurs rechargeables embarqués. La conception à double diode optimise l'espace et allège le chargeur de voiture.

3. Avantages de l'alimentation à découpage.

L'utilisation de commutateurs en carbure de silicium est très rapide, permet un fonctionnement à haute fréquence et offre des propriétés de récupération nulle et d'indépendance à la température. Grâce à nos boîtiers RP à faible inductance, ces diodes peuvent être utilisées dans de nombreux circuits de diodes à commutation rapide ou convertisseurs haute fréquence.



4. Avantages industriels.



Diodes en carbure de silicium : principalement utilisées dans les convertisseurs de puissance haute fréquence des moteurs lourds et des équipements industriels, elles offrent les avantages d’un rendement élevé, d’une puissance élevée et d’une fréquence élevée.

Appareils SiC

Premièrement. Classification des dispositifs SiC.



Transistor à effet de champ à semi-conducteur métal-oxyde en carbure de silicium.



Les transistors à effet de champ en carbure de silicium sont au cœur de la recherche sur les dispositifs électroniques de puissance en carbure de silicium. Aujourd'hui, les matériaux à base de silicium approchent leurs limites théoriques de performance, et les dispositifs de puissance en carbure de silicium sont considérés comme des dispositifs « idéaux » grâce à leur tension de tenue élevée, leurs faibles pertes et leur rendement élevé. Cependant, par rapport aux dispositifs en silicium précédents, l'équilibre entre performance et coût, ainsi que la nécessité de technologies de pointe, seront essentiels au développement des dispositifs de puissance en carbure de silicium.



Deuxièmement, la structure du MOS en carbure de silicium.



La région source N+ et le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur sont dopés N+ par implantation ionique et recuits à 1700 °C. Une autre étape clé est la formation de l'oxyde de grille en carbure de silicium. La présence d'atomes de silicium et de carbone dans le carbure de silicium exige une méthode de croissance très spécifique du diélectrique de grille. Les avantages de la structure à rainures sont les suivants :



La structure en tranchée des transistors à effet de champ en carbure de silicium permet d'exploiter pleinement les caractéristiques du carbure de silicium.



Troisièmement, les avantages du MOS en carbure de silicium.



De manière générale, les IGBT en silicium ne fonctionnent qu'à des fréquences inférieures à 20 kHz. En raison des limitations des matériaux, il est impossible de réaliser des dispositifs en silicium haute tension et haute fréquence. Les MOSFET en carbure de silicium, quant à eux, conviennent non seulement à une large plage de tensions (de 600 V à 10 kV), mais offrent également d'excellentes performances de commutation, comparables à celles des dispositifs unipolaires. Comparés aux IGBT en silicium, les transistors à effet de champ en carbure de silicium présentent des pertes de commutation plus faibles et des fréquences de fonctionnement plus élevées en l'absence de courant de queue dans le circuit de commutation.



Les pertes d'un module MOSFET en carbure de silicium de 20 kHz peuvent être deux fois moindres que celles d'un module IGBT en silicium de 3 kHz, et un module en carbure de silicium de 50 A peut remplacer un module en silicium de 150 A. Ceci démontre les avantages considérables des transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur en carbure de silicium en termes de fréquence de fonctionnement et de rendement.



Le temps de recouvrement inverse trr et la charge de recouvrement inverse Qrr de la diode parasite d'un MOSFET en carbure de silicium sont très faibles. Comme illustré, la charge inverse de la diode parasite d'un MOSFET en carbure de silicium ne représente que 5 % de celle d'un MOSFET à base de silicium présentant les mêmes caractéristiques de tension. Pour les circuits en pont (notamment lorsque le convertisseur LLC fonctionne au-dessus de sa fréquence de résonance), cet indicateur est crucial pour réduire les pertes et le bruit dus au temps mort et au recouvrement inverse de la diode parasite, et contribue à améliorer la fréquence de commutation.



Quatrièmement, l'application des tubes MOS en carbure de silicium !



Les modules MOSFET en carbure de silicium présentent des avantages considérables pour les applications dans les systèmes de moyenne et haute puissance, tels que la production d'énergie photovoltaïque et éolienne, les véhicules électriques et le transport ferroviaire. Leurs performances élevées en tension, en fréquence et en rendement permettent de dépasser les limitations des composants des véhicules électriques actuels, ce qui constitue un axe de recherche et développement majeur dans ce domaine, tant au niveau national qu'international. Par exemple, les unités de commande de puissance (PCU) des véhicules hybrides (HEV) et des véhicules électriques (EV) développés conjointement par Denso et Toyota utilisent des modules MOSFET en carbure de silicium, réduisant ainsi leur volume d'un facteur 5. Le système d'entraînement du moteur électrique développé par Mitsubishi intègre des modules SiCMOSFET au moteur, permettant ainsi une intégration et une miniaturisation optimales. On prévoit une large diffusion des modules MOSFET en carbure de silicium dans les véhicules électriques, en Chine et à l'étranger, au cours des prochaines années.


Wuxi Guojing Micro Semiconductor Technology Co., Ltd. est une entreprise de haute technologie innovante spécialisée dans la recherche, le développement et l'industrialisation de dispositifs de puissance en carbure de silicium (SiC), de dispositifs optoélectroniques en nitrure de gallium (GaN) et de circuits intégrés conventionnels. Elle travaille sur les transistors à effet de champ en carbure de silicium. Elle conçoit, produit et commercialise des diodes Schottky en carbure de silicium, des relais optocoupleurs GaN, des circuits intégrés monopuces et d'autres puces, et propose des services d'assistance à la conception de solutions globales pour les produits associés. Son siège social est situé dans la zone de développement de haute technologie de Wuxi, dans la province du Jiangsu, et elle possède des centres de R&D, des centres de service après-vente et des bureaux à Shenzhen et à Hong Kong.



La gamme de composants de puissance en carbure de silicium de l'entreprise comprend des séries de 650 V/2 A-100 A, 1200 V/2 A-90 A, 1700 V/5 A-80 A et autres. Ces produits, désormais fabriqués en série, offrent une qualité et un niveau comparables à ceux des marques internationales les plus performantes. L'entreprise a lancé successivement des diodes Schottky et des MOSFET en carbure de silicium à courant et tension maximum, ayant passé avec succès les tests de fiabilité industriels et automobiles. Leurs performances atteignent un niveau international de pointe. Ces composants sont utilisés dans les alimentations pour onduleurs solaires, les véhicules électriques à énergies nouvelles et les bornes de recharge, les réseaux intelligents, le soudage haute fréquence, le transport ferroviaire, les alimentations spéciales pour le contrôle industriel, la défense nationale et l'industrie militaire, entre autres. Grâce à leur commutation rapide et à leur faible résistance à l'état passant, ils présentent d'excellentes caractéristiques électriques, même à haute température. Ceci permet de réduire considérablement les pertes de commutation, de concevoir des composants plus petits, plus légers et plus efficaces, et d'améliorer la fiabilité globale du système. L'autonomie maximale des véhicules électriques peut être réduite de 10 %, le poids total du véhicule peut être réduit d'environ 5 %, et un fonctionnement sûr et stable peut être obtenu dans l'environnement à haute température de la borne de recharge où il est conçu pour être utilisé.



La plupart des ingénieurs de l'équipe R&D principale de l'entreprise sont titulaires d'un master ou d'un diplôme supérieur, et de nombreux docteurs participent au développement des projets. L'entreprise a mis en place un système standardisé de gestion de l'innovation scientifique et technologique ainsi que de la propriété intellectuelle. Elle a développé de nombreuses technologies clés dans les domaines de la conception de circuits, de dispositifs et de procédés semi-conducteurs, de la conception de la fiabilité, de l'extraction de modèles de dispositifs, etc., et possède de nombreux brevets d'invention indépendants, tant au niveau national qu'international.

« L’arme la plus importante du pays, fondée sur la cristallisation, l’amélioration continue, l’autonomie et l’obtention d’un succès centenaire » : tel est l’objectif commun de Guojing Micro Semiconductor. Nous offrons à nos employés un environnement de développement exceptionnel et fournissons à nos clients des produits et services de haute qualité. Nous espérons sincèrement bâtir un avenir prospère à vos côtés.

Avertissement : Cet article est reproduit à partir de « Network » et vise à protéger les droits de propriété intellectuelle. En cas d’infraction, veuillez nous contacter afin que nous le supprimions.

Numéro de téléphone de l'entreprise : +86-0755-83044319
Fax/FAX : +86-0755-83975897
Courriel : 1615456225@qq.com
QQ : 3518641314 Gestionnaire Li

QQ : 332496225 Gestionnaire Qiu

Adresse : Salle 809, Bâtiment C, Immeuble technologique Zhantao, n° 1079 avenue Minzhi, Nouveau district de Longhua, Shenzhen