QU’Est-Ce QU’Un Mosfet de Puissance ?
MOSFET de puissance est un terme générique pour les dispositifs MOSFET destinés aux applications 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 du Mosfet de Puissance
Le MOSFET de puissance peut être utilisé en remplacement des transistors de puissance bipolaires dans les circuits qui utilisent classiquement des transistors de puissance bipolaires. En particulier, le MOSFET de puissance peut réduire les pertes de commutation par rapport aux transistors de puissance bipolaires.
La résistance élevée à l’enclenchement et la faible tension de claquage des MOSFET, ainsi que la difficulté de les appliquer à des circuits de forte puissance, qui étaient auparavant des problèmes des MOSFET, ont toutes été surmontées par des innovations technologiques récentes telles que la structure à double diffusion à grille planaire, la structure à grille en tranchée et la structure à superjonction, et sont maintenant utilisées dans les transistors de puissance. Les MOSFET sont aujourd’hui le pilier du monde des transistors de puissance.
Principe du Mosfet de Puissance
Le MOSFET de puissance repose sur le principe selon lequel il ne peut fonctionner 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 a été le pilier des transistors de puissance dans le passé, et ont fondamentalement une impédance d’entrée plus élevée que les FET de type jonction.
Les MOSFET peuvent également être classés en fonction de la structure de leur grille et de la structure de leur 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 très performant avec une intégration élevée, une faible résistance à l’enclenchement et de faibles pertes. 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 ; il existe également des MOSFET à canal P, mais la mobilité des trous est inférieure à celle des électrons, ce qui se traduit par 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. Cependant, 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, à l’exception du changement de matériau du substrat. La structure périodique verticale p/n appelée super jonction 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 Le Mosfet de Puissance
Champ D’Application du Mosfet de Puissance Sur Le Marché
Le MOSFET de puissance est utilisé dans les applications d’alimentation de forte puissance à un coût relativement faible en raison de son substrat en silicium peu coûteux et très fiable, mais lorsqu’il s’agit d’applications d’alimentation de forte puissance traitant plusieurs kVA, la résistance à l’enclenchement augmente jusqu’à plusieurs ohms, ce qui accroît considérablement les pertes et le fait sortir de la plage d’utilisation.
Les dispositifs semi-conducteurs actuellement principalement utilisés dans ce domaine sont les IGBT (transistors bipolaires à porte isolée) 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 élevée des MOSFET. Le MOSFET de puissance SiC est un MOSFET de puissance avec un transistor bipolaire et un MOSFET de puissance SiC.
Les dispositifs MOSFET de puissance SiC se caractérisent par l’utilisation de semi-conducteurs composés SiC comme matériau de substrat, qui présentent une large bande interdite et une tension de claquage considérablement améliorée. Les MOSFET sont utilisés pour les applications de puissance et de commutation 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 relativement élevé (en raison des limitations de la taille des plaquettes et d’autres facteurs). 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 des moyennes et faibles puissances, avec des améliorations au niveau des caractéristiques et du coût, à moins que de nouveaux dispositifs n’apparaissent et aient le mérite de les remplacer.