Qu’est-ce qu’un MOSFET de puissance ?
MOSFET de puissance est un terme générique pour les dispositifs MOSFET conçus pour des utilisations de haute puissance. MOS signifie “Metal Oxide Silicon” (silicium à oxyde métallique).
Dans le passé, les transistors bipolaires avec base, collecteur et émetteur constituaient le pilier des dispositifs de commutation, mais en comparaison, les MOSFET ont des vitesses de commutation plus rapides, une faible tension et une faible résistance à l’enclenchement, ce qui permet un fonctionnement à faibles pertes.
Utilisations des MOSFET de puissance
Les MOSFET de puissance peuvent être utilisés dans des circuits où les transistors bipolaires de puissance sont traditionnellement utilisés. En particulier, les MOSFET de puissance ont des pertes de commutation plus faibles que les transistors de puissance bipolaires.
La résistance à l’enclenchement élevée et la faible tension de claquage des MOSFET, ainsi que la difficulté de les appliquer à des utilisations de haute puissance, qui constituaient des problèmes pour les MOSFET, ont été résolues grâce à des innovations technologiques récentes telles que la structure de double diffusion à grille planaire, la structure à grille en tranchée et la structure à superjonction, et sont désormais utilisées dans les transistors de puissance. Les MOSFET sont désormais le pilier du monde des transistors de puissance.
Principe des MOSFET de puissance
En principe, les MOSFET de puissance ne fonctionnent qu’avec un grand nombre de noyaux (électrons pour le type n et trous pour le type p). Par conséquent, ils ne sont pas affectés par le phénomène de minorité du type bipolaire, qui est traditionnellement le pilier des transistors de puissance, et ont fondamentalement une impédance d’entrée plus élevée que les FET de type jonction.
Les MOSFET de puissance peuvent également être classés de manière générale en fonction de leur structure de grille et de leur structure de couche de dérive, et les trois principales structures qui ont prévalu ces dernières années sont décrites ci-dessous.
1. Structure D-MOS MOSFET à double diffusion
Cette structure permet d’obtenir une tension de claquage élevée grâce à la formation d’un canal à double diffusion, ce qui donne un MOSFET de puissance à haute performance avec une intégration élevée, une faible résistance à l’enclenchement et une faible perte. Plus précisément, dans le cas des MOSFET à canal N, une couche de type p à faible concentration et une couche de type n à forte concentration sont formées sur la couche épitaxiale du substrat N par double diffusion. Des MOSFET à canal P sont également disponibles, mais la mobilité des trous est plus faible que celle des électrons, ce qui entraîne une résistance à l’enclenchement élevée et une détérioration des caractéristiques.
2. Structure de grille en tranchée
Cette structure comporte une grille en U et les canaux sont formés verticalement afin d’obtenir une intégration élevée et une résistance à l’enclenchement encore plus faible. Toutefois, cette structure est utilisée pour les MOSFET de puissance à basse tension. La surface de la cellule unitaire est réduite par le rainurage en U de la grille.
3. Structure à super-jonction
Il s’agit actuellement du meilleur MOSFET de puissance disponible, à l’exception du changement de matériau du substrat. La structure verticale périodique p/n appelée superjonction est formée dans la couche de dérive pour obtenir une résistance à l’enclenchement ultra-faible, inférieure à la limite du silicium des MOSFET de puissance conventionnels.
Autres informations sur les MOSFET de puissance
Champ d’utilisation des MOSFET de puissance sur le marché
Les MOSFET de puissance sont utilisés dans les applications d’alimentation de puissance à un coût relativement faible en raison de leurs substrats en silicium peu coûteux et très fiables, mais lorsqu’il s’agit d’applications d’alimentation de puissance de plusieurs kVA, la résistance à l’enclenchement augmente jusqu’à plusieurs ohms, ce qui accroît considérablement les pertes et les fait sortir de la plage d’utilisation.
Les dispositifs semi-conducteurs actuellement principalement utilisés dans ce domaine sont les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) ou les MOSFET de puissance SiC, où les IGBT sont combinés à des transistors bipolaires pour supprimer l’augmentation de la résistance à l’enclenchement dans la plage de courant élevé des MOSFET. Le MOSFET de puissance SiC est un MOSFET de puissance avec un transistor bipolaire et un MOSFET de puissance SiC.
Les MOSFET de puissance SiC utilisent des semi-conducteurs composés SiC, un cristal à large bande interdite, comme matériau de substrat et se caractérisent par une tension de claquage considérablement améliorée. Les MOSFET sont utilisés pour les applications d’alimentation électrique à commutation à haute puissance et à haute vitesse, à plusieurs centaines de kHz.
Les IGBT ne conviennent pas aux alimentations à commutation à grande vitesse en raison de la structure de leur dispositif, tandis que les MOSFET de puissance en SiC ont un coût de substrat en SiC relativement élevé (en partie en raison des limitations de la taille des plaquettes de silicium). Néanmoins, les MOSFET de puissance sur substrat de silicium, qui sont relativement peu coûteux et faciles à utiliser, continueront d’être utilisés dans la gamme de puissance moyenne à faible, avec des améliorations au niveau des caractéristiques et du coût, à moins que de nouveaux dispositifs émergent qui ont le mérite de les remplacer.