Soutenance mémoire
Il existe un compromis entre la puissance commutée par les composants (produit de la tension blocable par le courant maximum admissible à l’état passant, en VA) et leur fréquence d’utilisation. Les recherches menées sur les composants d’électronique de puissance visent à améliorer ce compromis. Ces deux propriétés sont dépendantes l’une de l’autre du fait des caractéristiques intrinsèques du semi conducteur utilisé, mais aussi du type et de l’architecture du composant utilisé. En outre, le compromis doit prendre en compte les capacités de refroidissement du système. L’augmentation de la fréquence de fonctionnement ou de la puissance commutée par le système d’électronique de puissance tend à augmenter la puissance dissipée par les composants. Pour une capacité de refroidissement donnée, on peut donc augmenter la fréquence, mais cela implique la diminution de la puissance commutée, ou bien augmenter la puissance commutée, ce qui oblige à abaisser la fréquence du système.
Les plus fortes puissances commutées nécessitent l’utilisation de composants bipolaires, comme le thyristor GTO (Gate Turn-off Thyristor), évolution du thyristor. En revanche, les plus hautes fréquences nécessitent des composants unipolaires, tels que les transistors MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor). Pour les applications à des fréquences médianes, les composants mixtes, tels que l’IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor) ou l’IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor), évolution de l’IGBT, offrent les meilleurs compromis. Au cours du temps, les composants mixtes basés sur l’architecture de l’IGBT ont occupé une place de plus en plus importante. Il est en effet possible, en jouant sur les paramètres technologiques de l’IGBT, de se rapprocher d’un fonctionnement bipolaire ou unipolaire, selon l’application visée.
Au cœur des composants de puissance, la zone de drift
Deux composants très utilisés en électronique de puissance : le VDMOS, transistor MOSFET vertical de puissance, et l’IGBT non punch-through. Le premier est un composant unipolaire, dont la conduction ne fait intervenir qu’un type de porteurs (ici, des électrons). Le second est un composant mixte : sa commande est à grille isolée, comme dans le cas du MOSFET, mais sa conduction fait intervenir les deux types de porteurs au travers du transistor bipolaire p+np+ .
A l’état bloqué, la tenue en tension est assurée par la jonction p+n- . L’extension de charge d’espace a lieu principalement dans la zone n- , souvent appelée zone de drift ou zone d’épitaxie. La tenue en tension, ou calibre en tension, du composant est déterminée d’une part par son architecture, dopage et épaisseur de la zone de drift, et par les caractéristiques du matériau d’autre part, notamment le champ maximum admissible pour ne pas déclencher le phénomène d’avalanche par multiplication des porteurs. L’augmentation de la tenue en tension du dispositif demande l’augmentation de l’épaisseur de la zone n- et/ou l’abaissement du dopage.
A l’état passant, la zone n- a une grande influence sur la chute de tension dans le composant. Dans le cas du VDMOS, la conduction n’est assurée que par les électrons de la zone de drift. La résistivité de cette dernière est donc fixée par son dopage et par la mobilité des électrons. Dans le cas de la conduction bipolaire, des trous sont injectés dans la zone n- . La chute de tension est déterminée par la mobilité et la durée de vie des deux types de porteurs. La conduction bipolaire assure de meilleures caractéristiques en conduction. Si les dispositifs unipolaires sont très utilisés à basse tension (< 500 V), à haute tension, l’épaisseur de zone de drift nécessaire induit une résistance à l’état passant très importante, ce qui se traduit par de très fortes puissances dissipées en conduction. On utilise alors de préférence des composants bipolaires. Lors du passage de l’état passant à l’état bloqué, dans le cas de l’IGBT, les trous présents dans la zone n- doivent se recombiner pour que le blocage soit effectif. La durée nécessaire est appelée temps de recouvrement ; elle constitue le handicap majeur des composants bipolaires. Dans le cas des dispositifs unipolaires, en revanche, la durée nécessaire pour passer de l’état passant à l’état bloqué est très courte. Des temps de commutations importants se traduisent par de la puissance électrique perdue (pertes en commutation). Pour un fonctionnement à haute fréquence, on préfère donc utiliser des composants unipolaires.
Augmentation de la puissance commutée
Les applications électriques forte puissance, telles que la traction ferroviaire, par exemple, demandent des puissances de plus en plus grandes. Le transport de l’énergie électrique, depuis son lieu de production vers son lieu d’utilisation, est réalisé à des tensions élevées (lignes Très Haute Tension, caténaires pour la traction ferroviaire). En effet, la puissance électrique acheminée est égale au produit de la tension dans la ligne et du courant transitant dans la ligne. Les pertes électriques dans la ligne étant liées à l’effet joule, il est souhaitable d’augmenter la tension des lignes pour diminuer le courant. L’augmentation de la puissance consommée par la charge à tension d’alimentation constante revient, du point de vue du composant de puissance, à fournir un courant plus élevé.
L’augmentation de la puissance commutée peut donc être réalisée par l’augmentation du calibre en tension ou en courant des composants de puissance.
Augmentation du courant
L’augmentation du courant contrôlé par le convertisseur peut être obtenue de plusieurs manières : soit par la fabrication de composants électroniques capables de laisser passer des courants de plus en plus importants, soit par la mise en parallèle de modules de puissance élémentaires, de sorte à additionner la contribution des différents modules . La mise en parallèle d’un nombre important de modules aboutissant à un coût élevé en termes de nombre de composants électroniques et de volume, il est souhaitable de développer des composants pouvant laisser passer beaucoup de courant.
Augmentation de la tension bloquée
L’augmentation de la tenue en tension peut être réalisée par la mise en série d’un nombre important de modules élémentaires de manière à diviser la tension entre ces différents modules . Comme dans le cas de la mise en parallèle de modules, ceci a un coût en termes de nombre de composants électroniques et de volume. A cela s’ajoute une complexité accrue des circuits de commande. On peut aussi essayer de concevoir des modules élémentaires capables de tenir des tensions plus importantes de sorte à minimiser le nombre de modules mis en série.
Augmentation de la fréquence
L’augmentation de la fréquence d’utilisation des composants d’électronique de puissance peut avoir un impact intéressant sur leur environnement. En effet, dans un module d’électronique de puissance, la valeur des éléments passifs environnant les composants actifs varie inversement à la fréquence de fonctionnement. Une hausse de la fréquence de fonctionnement induit donc une baisse de la valeur des capacités et des inductances utilisées, ce qui se traduit par une diminution du volume occupé par les différents condensateurs et bobines.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : UTILISATION DES SEMI-CONDUCTEURS A LARGE BANDE INTERDITE EN ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
I.1 LES DEFIS DE L’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
I.1.1 Au cœur des composants de puissance, la zone de drift
I.1.2 Augmentation de la puissance commutée
I.1.2.1 Augmentation du courant
I.1.2.2 Augmentation de la tension bloquée
I.1.3 Augmentation de la fréquence
I.1.4 La limitation thermique
I.1.4.1 Les pertes dans un interrupteur d’électronique de puissance
I.1.4.2 Le refroidissement des composants
I.1.5 Les pistes envisagées
I.2 LES PROPRIETES DU DIAMANT
I.3 CONCLUSION
I.4 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 1
CHAPITRE II : LE DIAMANT CVD
II.1 ASPECT CRISTALLOGRAPHIQUE ET CLASSIFICATION DES DIFFERENTS TYPES DE DIAMANT
II.1.1 Cristallographie du diamant
II.1.2 Classification du diamant
II.2 LA SYNTHESE DU DIAMANT
II.2.1 Historique
II.2.2 Les différentes méthodes
II.2.3 Le croissance de diamant par MPCVD
II.2.3.1 Principe
II.2.3.2 Choix du substrat
Homoépitaxie
Hétéroépitaxie
II.2.3.3 Dopage des films
Dopage p
Dopage n
II.2.3.4 Caractéristiques des films obtenus par homoépitaxie CVD
Taille des échantillons
Orientation cristalline
Défauts cristallins
Contamination
II.3 PROPRIETES ELECTRONIQUES DU DIAMANT DOPE BORE
II.3.1 Mobilité en fonction du dopage
II.3.2 Résistivité en fonction du dopage
II.4 ETAT DE L’ART DES COMPOSANTS REALISES SUR DIAMANT CVD MONOCRISTALLIN
II.4.1 Diodes Schottky
II.4.2 Diodes PN et PIN
II.4.3 Transistors à effet de champ
II.4.4 Commutateurs activés par faisceau UV ou faisceau d’électrons
II.5 CONCLUSION
II.6 REFERENCES DU CHAPITRE II
CHAPITRE III : DEVELOPPEMENT DES PROCEDES TECHNOLOGIQUES
III.1 LE DOPAGE DU DIAMANT
III.1.1 Etat de l’art
III.1.1.1 Les impuretés envisagées pour doper le diamant
Dopants accepteurs
Dopants donneurs
III.1.1.2 Les techniques de dopage
Le dopage par diffusion
Le dopage par implantation ionique
III.1.2 Etudes mises en œuvre au laboratoire
III.1.2.1 Calibrage du simulateur SRIM
III.1.2.2 Définition du procédé d’implantation
III.1.2.3 Essais expérimentaux
Premiers tests
Etude de la face arrière de l’échantillon
III.1.3 Conclusion relative aux études sur le dopage du diamant
III.2 LE DEPOT DE CONTACTS OHMIQUES SUR DIAMANT CVD
III.2.1 Théorie sur les contacts ohmiques
III.2.2 Caractérisation des contacts ohmiques par la méthode TLM
III.2.2.1 Généralités
III.2.2.2 Equations et résolution pour le cas du motif TLM droit
Détermination de la résistivité spécifique de contact par extraction de la résistance de fin de contact
Détermination de la résistivité spécifique de contact sans extraction de la résistance de fin de contact
III.2.3 Etat de l’art
III.2.4 Réalisation de contacts ohmiques sur diamant CVD
III.2.4.1 Contacts Ti/Pt/Au
III.2.4.2 Contacts Si/Al
III.2.4.3 Caractérisations des contacts en température
III.2.4.4 Caractérisation de la tenue mécanique des contacts
III.2.5 Conclusion relative à la fabrication de contacts ohmiques
III.3 LA GRAVURE IONIQUE DU DIAMANT
III.3.1 Etat de l’art
III.3.2 Expériences
III.3.2.1 Gravure oxygène
III.3.2.2 La gravure Ar/O2
III.3.3 Conclusion relative aux études sur la gravure du diamant
III.4 CONCLUSION
III.5 REFERENCES DU CHAPITRE III
CHAPITRE IV : LE DIAMANT UTILISE POUR LA CONCEPTION DE COMPOSANTS UNIPOLAIRES – REALISATION DE DIODES SCHOTTKY
IV.1 LA LIMITE DU MATERIAU POUR LA CONCEPTION DE COMPOSANTS UNIPOLAIRES
IV.1.1 Principe du calcul
IV.1.2 Application au cas du diamant
IV.1.3 Effet de la température
IV.2 THEORIE ET MODELISATION DE LA DIODE SCHOTTKY
IV.2.1 Le contact Schottky
IV.2.1.1 Courant en direct
IV.2.1.2 Courant en inverse
IV.2.2 Modélisation de la diode Schottky
IV.3 CONCEPTION ET MISE EN ŒUVRE TECHNOLOGIQUE
IV.4 CARACTERISATIONS ELECTRIQUES
IV.4.1 Caractéristiques de la première série de diodes
IV.4.2 Caractéristiques de la deuxième série de diodes
IV.5 CONCLUSION
IV.6 REFERENCES DU CHAPITRE IV
CONCLUSION
ANNEXES
