Améliorer l'efficacité des dispositifs SiC à l'aide de diodes MPS

Par rapport au silicium (Si), le carbure de silicium (SiC) présente des avantages qui le rendent particulièrement adapté aux diodes Schottky dans des applications telles que les chargeurs rapides, les convertisseurs de batteries photovoltaïques (PV) et les onduleurs de traction. Cependant, les concepteurs sont mis au défi d'améliorer encore l'efficacité.

Deux moyens d'y parvenir avec les dispositifs SiC consistent à réduire le courant de fuite et les pertes dues à la résistance thermique. Même si ces objectifs sont difficiles à atteindre, les diodes Schottky PIN fusionnées (MPS, merged-pin Schottky) offrent une solution. Les dispositifs MPS améliorent également les performances des diodes Schottky en matière de courant de pointe.

Cet article explique les avantages des diodes Schottky SiC par rapport aux diodes conventionnelles pour les applications haute puissance, en soulignant où il est possible d'améliorer davantage les performances. Il présente ensuite des exemples de diodes MPS de Nexperia, résume leurs principales caractéristiques et explique comment les concepteurs peuvent tirer parti de leur application.

Avantages des diodes Schottky SiC

L'avantage de la diode Schottky SiC par rapport à une jonction P-N Si traditionnelle découle des propriétés du matériau semi-conducteur sous-jacent et de sa conception. Le SiC a une bande interdite plus large que celle du Si. La bande interdite est l'énergie nécessaire pour déplacer les électrons de la bande de valence à la bande de conduction dans un semi-conducteur, et constitue un facteur crucial pour déterminer la conductivité électrique du matériau.

La bande interdite plus large du SiC lui confère une intensité de champ de claquage diélectrique d'un ordre de grandeur plus élevé avec une couche de dérive plus fine pour la même tension nominale par rapport à un dispositif Si. La couche de dérive est la couche légèrement dopée entre les couches P et N d'une diode conventionnelle, ou les couches métalliques et P d'une diode Schottky SiC. La couche de dérive plus fine présente une résistivité plus faible et de meilleures performances de conduction électrique avec une taille de puce plus petite.

Un autre avantage du SiC est sa conductivité thermique environ 3,5 fois supérieure, ce qui améliore la dissipation de puissance pour une surface de puce donnée. La température de fonctionnement maximum du SiC est presque deux fois plus élevée que celle du Si. L'utilisation d'une puce plus petite réduit la capacité propre du dispositif, et les charges associées sont inférieures pour des valeurs nominales de courant et de tension spécifiées. Ces caractéristiques et la vitesse de saturation des électrons plus élevée du SiC permettent des vitesses de commutation plus élevées avec des pertes réduites.

Du point de vue de la construction, au lieu de la jonction P-N conventionnelle, la diode Schottky renonce au type P et utilise à la place une fine couche de métal (platine, tungstène, or ou autre métal) liée à un matériau de type N. Cette liaison forme une jonction métal-semi-conducteur (M-S) appelée barrière de Schottky (Figure 1).

Figure 1 : Les diodes Schottky remplacent le semi-conducteur de type P d'une diode classique (en haut) par un métal pour former une jonction M-S (en bas). (Source de l'image : DigiKey)

La jonction M-S génère une zone de déplétion électronique plus étroite que la jonction P-N en conditions de polarisation directe et inverse (Figure 2). La zone de déplétion plus étroite confère à la diode Schottky un avantage clé : une tension directe (V_F) inférieure à celle d'une diode conventionnelle. En polarisation directe, la diode Schottky commence généralement à produire une conduction à quelques centaines de millivolts, contre 0,6 V à 0,7 V pour une jonction P-N. Cette caractéristique est intéressante pour les applications à faible consommation d'énergie telles que les dispositifs alimentés par batterie.

Figure 2 : La zone de déplétion de la diode Schottky est plus étroite en conditions de polarisation directe et inverse, ce qui se traduit par une faible tension directe et des pertes réduites. (Source de l'image : DigiKey)

Les dispositifs Schottky ne conduisent que par des porteurs majoritaires (électrons), ce qui se traduit par une charge négligeable stockée dans la couche de déplétion de jonction de la diode lorsque le composant est à polarisation directe. Cela limite les pertes (et la dissipation de puissance) lorsque la diode passe d'une polarisation directe à une polarisation inverse. En revanche, les diodes à jonction P-N conduisent par des porteurs minoritaires et majoritaires, ce qui se traduit par des charges stockées plus importantes dans la couche de déplétion. Il en résulte des pertes de commutation plus élevées pour le dispositif P-N, qui se multiplient avec l'augmentation de la fréquence.

Globalement, une diode Schottky consomme moins d'énergie et tend à être plus efficace sur le plan thermique pour dissiper la chaleur dans les applications haute puissance qu'un dispositif P-N. La réduction de la dissipation permet à la diode Schottky de supporter des températures plus élevées pour des performances renforcées et une fiabilité supérieure sans risque d'emballement thermique.

L'étroitesse de la zone de déplétion de la diode Schottky présente un autre avantage : elle confère au composant une capacité plus faible. Associée au comportement de commutation douce des diodes SiC, cette faible capacité réduit considérablement les interférences électromagnétiques (EMI).

Comment davantage améliorer les diodes Schottky SiC

Les diodes Schottky SiC sont constamment améliorées. Par exemple, la zone de déplétion étroite d'un dispositif SiC moderne multiplie l'impact des imperfections qui se produisent lors de la fabrication de l'interface M-S, entraînant des courants de fuite élevés lorsque la diode est polarisée en sens inverse. De plus, la zone de déplétion étroite empêche la diode Schottky SiC de supporter des tensions inverses (V_R) élevées. Une diode Schottky peut supporter une tension V_R de quelques dizaines de volts, tandis qu'une jonction P-N peut supporter des centaines de volts.

Une solution pour remédier aux courants de fuite élevés des diodes SiC consiste à épaissir la couche de dérive et le substrat de la diode. Cependant, cela augmente la résistance électrique et thermique, ce qui fait grimper la tension V_F et la température de jonction (T_J) pour un courant donné. En outre, la résistance plus élevée de la couche de dérive épaissie peut avoir un impact sur les performances de courant de pointe.

Nexperia a relevé ce défi avec sa diode MPS. La structure MPS de la série PSC de Nexperia utilise deux types de diodes, une diode Schottky SiC et un dispositif P-N positionnés en parallèle. Des caissons dopés P sont implantés dans la zone de dérive d'un dispositif Schottky conventionnel, formant un contact P-ohmique avec le métal à l'anode Schottky et une jonction P-N avec la couche épitaxiale ou de dérive SiC légèrement dopée (Figure 3).

Figure 3 : La structure MPS utilise deux types de diodes, une diode Schottky SiC et un dispositif P-N, positionnés en parallèle. Des zones dopées P sont implantées dans la zone de dérive pour former un contact P-ohmique avec le métal et une jonction P-N avec la couche épitaxiale ou de dérive SiC. (Source de l'image : Nexperia)

En condition de polarisation inverse, les caissons dopés P favorisent le déplacement de l'intensité de champ maximum vers le bas, dans la couche de dérive presque exempte de défauts, loin de la barrière métallique avec ses imperfections, réduisant ainsi le courant de fuite global (Figure 4).

Figure 4 : L'ajout de caissons dopés P à une diode Schottky SiC déplace la zone d'intensité de champ maximum en condition de polarisation inverse loin du métal de l'anode. Il en résulte des courants de fuite plus faibles. (Source de l'image : Nexperia)

Le placement, la surface et la concentration de dopage des caissons dopés P affectent les caractéristiques finales et créent un compromis entre la chute V_F et les courants de fuite et de pointe. Il en résulte qu'un dispositif MPS peut fonctionner à une tension de claquage plus élevée qu'une diode SiC classique, mais avec le même courant de fuite et la même épaisseur de couche de dérive.

La combinaison hybride d'une diode Schottky (un composant unipolaire) et d'une diode P-N (bipolaire) détermine que la jonction P-N n'est pas conductrice dans des conditions normales, de sorte qu'il n'y a pratiquement pas de pertes de recouvrement inverse. Cependant, la disposition hybride améliore le courant de pointe nominal car la diode P-N conduit en cas d'événements de surintensité transitoire, protégeant ainsi efficacement le composant hybride.

Comme les diodes MPS se comportent comme des diodes Schottky en conditions nominales, les dispositifs présentent un comportement de commutation purement capacitif, ce qui se traduit par une charge de recouvrement inverse (Q_RR) inférieure à celle d'une diode à récupération rapide Si avec la même caractéristique électrique. Q_RR, c'est-à-dire la charge stockée dans la diode qui doit se recombiner avant que la diode ne puisse bloquer la tension inverse, est l'un des principaux facteurs de perte d'une diode Si.

La Figure 5 compare le comportement de recouvrement inverse d'une diode Si par rapport à une diode SiC (PSC1065HJ de Nexperia). La diode SiC présente une commutation purement capacitive, ce qui se traduit par une valeur Q_RR minimale. La valeur Q_RR est équivalente à la zone du graphique située sous l'axe I_F = 0.

Figure 5 : Comportement de recouvrement inverse d'une diode Si (à gauche) par rapport à une diode SiC (à droite). La diode SiC présente une commutation purement capacitive, ce qui se traduit par une valeur Q_RR minimale. (Source de l'image : Nexperia)

Réduction de l'épaisseur de la couche de dérive pendant la fabrication

Comme les diodes MPS ont des courants de fuite considérablement réduits par rapport aux diodes SiC conventionnelles, il peut être intéressant de réduire l'épaisseur de la couche de dérive. Comme indiqué ci-dessus, pour les diodes SiC conventionnelles, la couche de dérive est plus épaisse que celle utilisée pour les diodes Si afin de maintenir les courants de fuite à un faible niveau.

Au cours de la fabrication, le substrat SiC non traité est dopé N, et les couches épitaxiales SiC sont développées pour former la zone de dérive. Le substrat peut avoir une épaisseur atteignant 500 micromètres (µm), ce qui augmente la résistance électrique et thermique pour le chemin de flux de courant et de chaleur de la jonction vers le métal arrière. Il en résulte une augmentation de la chute V_F et de la valeur T_J pour un courant donné.

Une solution pour réduire la résistance électrique et thermique de la couche de dérive consiste à réduire l'épaisseur de la face inférieure du substrat par meulage au cours du processus de fabrication (Figure 6). Il en résulte une diode MPS qui, pour des conditions de fonctionnement données, affiche une température de fonctionnement inférieure, une fiabilité accrue, une tenue en courant de pointe plus élevée et une chute V_F plus faible qu'une diode SiC comparable.

Figure 6 : La réduction de l'épaisseur de la face inférieure du substrat (à droite) permet d'obtenir une diode MPS qui présente une température de fonctionnement inférieure, une fiabilité accrue, une tenue en courant de pointe plus élevée et une chute V_F plus faible qu'une diode SiC comparable. (Source de l'image : Nexperia)

Options commerciales

Nexperia propose une sélection de diodes MPS pour de nombreuses applications telles que les infrastructures de charge de batteries, les alimentations de serveurs et de télécommunications, les alimentations secourues et les onduleurs photovoltaïques.

Le PSC0665HJ (Figure 7) est une diode Schottky SiC MPS encapsulée dans un boîtier DPAK R2P (TO-252-2) à montage en surface. La résistance thermique de la jonction au boîtier (R_th(j-c)) est de 2,7 Kelvin/watt (K/W). La dissipation de puissance totale (P_tot) (T_c ≤ +25°C) est de 115 W. La diode offre un comportement de commutation à recouvrement nul et arrêt capacitif indépendant de la température, combiné à un bon facteur de mérite (FOM) (FOM = charge capacitive totale (Q_C) x V_F). Le composant offre une solide protection contre le courant de pointe, indiquée par un fort courant direct de crête non répétitif (I_FSM).

Figure 7 : Le PSC0665HJ est une diode Schottky SiC MPS encapsulée dans un boîtier DPAK R2P (TO-252-2). (Source de l'image : Nexperia)

La valeur Q_C pour le PSC0665HJ est de 14 nanocoulombs (nC) (à V_R = 400 V ; dI_F/dt = 200 A/microseconde (A/µs) ; courant direct (I_F) ≤ 6 A ; T_J = +25°C) et V_F = 1,5 V (à I_F = 6 A ; T_J = +25°C). Cela donne un FOM pour la diode de 14 nC x 1,5 V = 21 nanojoules (nJ).

La tension inverse de crête répétitive maximum (V_RRM) est de 650 V. Le courant inverse (I_R) est de 1 µA à +25°C, avec une valeur V_R de 650 V. Le courant direct maximum (I_F) est de 6 A, et la valeur I_FSM maximum est de 300 A (t_p = 10 µs ; onde carrée ; T_c = +25°C) ou 36 A (t_p = 10 ms ; demi-onde sinusoïdale ; T_c = +25°C).

Le PSC2065LQ est une autre option de la gamme de diodes Schottky SiC MPS de Nexperia. Ce dispositif est encapsulé dans un boîtier en plastique à trou traversant TO247 R2P (TO-247-2). La résistance thermique de la jonction au boîtier (R_th(j-c)) est de 1 W. La valeur P_tot (T_c ≤ +25°C) est de 115 W.

La valeur Q_C pour le PSC2065LQ est de 41 nC (à V_R = 400 V ; dI_F/dt = 200 A/µs ; I_F ≤ 20 A ; T_j = +25°C) et V_F = 1,5 V (à I_F = 20 A; T_J = +25°C). Cela donne un FOM de 41 nC x 1,5 V = 61,5 nJ.

La valeur V_RRM est de 650 V. La valeur I_R est de 1 µA à +25°C, à V_R de 650 V. La valeur I_F maximum est de 10 A et la valeur I_FSM maximum est de 440 A (t_p = 10 µs ; onde carrée ; T_c = +25°C) ou 52 A (t_p = 10 ms ; demi-onde sinusoïdale ; T_c = +25°C).

Conclusion

Par rapport au Si, les diodes Schottky SiC offrent des avantages techniques supérieurs, tels que de bien meilleures performances de commutation et des fréquences de commutation plus élevées, sans sacrifier la puissance de sortie ou l'efficacité globale du système. Les gains de performances supplémentaires pour les diodes Schottky SiC sont possibles grâce à la construction MPS hybride de Nexperia qui utilise une diode Schottky SiC en parallèle avec une diode P-N. Il en résulte un dispositif qui, pour des conditions de fonctionnement données, affiche une température de fonctionnement inférieure, une fiabilité accrue, une tenue en courant de pointe plus élevée et une chute V_F plus faible qu'une diode SiC comparable.