Qu’est-ce qu’une diode SiC ?
Les diodes SiC sont l’un des éléments de base des semi-conducteurs composés de silicium (Si) et de carbone (C).
Par rapport au Si (silicium), les SiC ont un pouvoir de coupure diélectrique environ 10 fois supérieur et une bande interdite trois fois plus grande, ce qui permet de créer des éléments de circuit électrique plus petits avec une tension de coupure plus élevée. Les diodes SiC sont un exemple typique de semi-conducteurs de puissance SiC, qui sont fabriqués en tant que produits discrets (autonomes) ou incorporés dans des modules destinés à être utilisés dans des onduleurs, des convertisseurs, des IGBT, etc.
Les diodes à barrière Schottky (SiC) en particulier ont attiré l’attention ces dernières années parce qu’elles permettent un fonctionnement de commutation compact, à haute tension et à haut rendement avec une faible tension directe.
D’autre part, il est dit que les plaquettes SiC sont plus difficiles à faire croître en cristaux que les plaquettes Si, et qu’il est également plus difficile de traiter les SiC pour fabriquer des éléments semi-conducteurs que les Si. C’est pourquoi les diodes SiC ne devraient pas remplacer toutes les diodes Si, mais élargir leur champ d’application tout en étant utilisées de différentes manières en fonction de l’application.
Utilisations des diodes SiC
Les diodes SiC sont activement utilisées dans les onduleurs des véhicules électriques. L’utilisation de diodes SiC dans les onduleurs des véhicules électriques leur permet de rouler plus longtemps en consommant moins d’énergie.
En outre, les trains consomment moins d’énergie, ce qui se traduit par des économies sur les coûts d’électricité : bien que le coût initial de l’installation d’équipements utilisant des diodes SiC soit plus élevé, il est plus facile d’obtenir des réductions des coûts d’exploitation. Les derniers trains Tokaido Shinkansen sont équipés d’onduleurs utilisant des diodes SiC.
Les dispositifs de puissance utilisant des diodes SiC présentent l’avantage d’être compacts et légers, de pouvoir supporter des tensions et des courants élevés, et d’avoir une faible perte d’efficacité, même lorsqu’ils fonctionnent à des fréquences élevées. Les diodes Sic devenant moins chères, on s’attend à ce qu’elles soient introduites à l’avenir, en commençant par les dispositifs à forte consommation d’énergie.
Comme les diodes SiC, les semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) attirent également l’attention en tant que nouvelle génération de dispositifs de puissance ; le SiC et le GaN sont généralement utilisés dans des équipements nécessitant une tension et une puissance plus élevées, tandis que le GaN est utilisé dans des équipements fonctionnant à des fréquences plus élevées.
Principe des diodes SiC
Les diodes SiC peuvent supporter des tensions et des courants plus élevés ainsi que des températures de fonctionnement plus importantes que les diodes Si classiques. Cela s’explique par le fait que les propriétés physiques de la plaquette SiC de base sont supérieures à celles des plaquettes Si.
En particulier, les SiC ont une bande interdite, une intensité de champ de rupture diélectrique et une conductivité thermique supérieures à celles du Si. La bande interdite est de 3,26 (eV) pour SiC contre 1,12 (eV) pour Si, l’intensité du champ de claquage est de 2,5 (MV/cm) pour SIC contre 0,3 (MV/cm) pour Si, et la conductivité thermique est de 4,9 (W/(cm-K)) pour SIC contre 1,5 (W/(cm-K)) pour Si. La plaquette SiC présente des valeurs supérieures.
Il existe différents types de structures cristallines de plaquettes SiC, mais celles qui ont une structure connue sous le nom de 4H-SiC présentent des caractéristiques supérieures en tant que dispositifs de puissance, et les valeurs ci-dessus y correspondent également.
Types de diodes SiC
Il existe différents types de diodes SiC, notamment les diodes à barrière Schottky en SiC et les diodes à jonction SiCpn. La structure de base est la même que celle des diodes Sic, mais les diodes SiC sont plus petites si elles supportent la même amplitude de tension et de courant.
1. Diode à barrière Schottky SiC
La structure se présente sous la forme d’une connexion Schottky métallique à la diode SiC. Le mécanisme est tel que le courant est généré par le mouvement des électrons.
Cette diode se caractérise par une vitesse élevée et une tension de claquage élevée. Les diodes Si classiques sont également supérieures en termes de vitesse uniquement, mais les diodes à barrière Schottky SiC sont supérieures en ce qu’elles ont une tension de claquage environ 10 fois supérieure à celle du Si.
2. Diodes à jonction SiCpn
La structure utilise une jonction pn, qui se caractérise par une tension de claquage plus élevée et une résistance plus faible que les diodes à barrière Schottky SiC. Ceci est dû à l’accumulation de trous en tant que porteurs minoritaires dans la couche de type n.