Cours electronique semi conducteurs de puissance
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DISPOSITIVES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE COURS 1 I LA DIODE DE PUISSANCE I.1 REPRESENTATION. DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT La diode est un composant qui permet le passage unidirectionnel du courant, ses deux électrodes sont l’anode et la cathode. Sa représentation est donnée figure 1.1, Figure 1.1. Symbole de la diode Si on applique entre ses électrodes une tension v >0 (+ sur A, - sur B) supérieure à une valeur V AK T0 , appelée tension de seuil, la diode devient conductrice, le sens du courant étant AfiK. Si la tension v est négative, la diode se bloque, et n’est parcourue que par un courant inverse I de AK R valeur très faible. Ce fonctionnement s’explique par la présence de la jonction P-N crée sur un monocristal de silicium encapsulé dans la diode. I.1.1 La jonction P-N. La jonction P-N est obtenue dans un monocristal pur de silicium par dopage d’impuretés : • Impuretés « receveurs » (aluminium, bore) présentant 3 électrons périphériques créant ainsi une couche de type P. • Impuretés « donneurs » (antimoine, phosphore) ayant 5 électrons périphériques créant une zone N. L’atome de silicium est tétravalent. Par dopage avec des impuretés « receveurs », l’une des liaisons covalentes reste non satisfait entre chaque atome de semi-conducteurs et d’impureté. A la température ordinaire, les électrons périphériques ont suffisamment d’énergie pour se mouvoir et satisfaire les liaisons covalents (figure 1.2) Dans le réseau semi-conducteur vont apparaître des trous, en nombre égal à la concentration des atomes d’impuretés, trous qui peuvent assurer la conduction du courant. On trouve donc la zone P, des trous « porteurs majoritaires » et des ions négatifs fixes. Dans la couche de type N, le cinquième électron périphérique de chaque atome d’impureté ne participera pas à la satisfaction d’une liaison covalente. Il deviendra donc électron libre (figure 1.3). Dans ce cas, 1 DISPOSITIVES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE COURS 1 Figure 1.2. Zone P. un ion positif d’impureté restera fixe dans le réseau semi-conducteur. Finalement dans la zone N, il y a des électrons libres porteurs majoritaires. Dans chaque zone, il y a aussi des porteurs minoritaires, des trous en zone N, des électrons en zone P qui ont pour origine l’agitation thermique ou la diffusion des porteurs majoritaires d’une couche voisine. Une jonction P -N va apparaître quand la concentration d’impuretés se modifie sur une largeur suffisamment petite, passant d’une majorité d’impuretés « receveurs » à une majorité d’impuretés « donneurs ». Figure 1.3. Zone N. -5Pour le silicium cette largeur est de l’ordre de 10 cm. Les méthodes utilisées pour obtenir une jonction P -N sont : l’alliage, la diffusion, la croissance épitaxiale. 2 DISPOSITIVES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE COURS 1 Dans notre étude, on considèrera la jonction plan parallèle avec des couches P -N d’une épaisseur très grande devant la largeur de diffusion des porteurs minoritaires (figure 1.4). Les proprietés et les caractéristiques de la diode sont déterminées par la jonction P-n. Celle-ci peut être dans trois situations : • Non polarisée ; • Polarisée en direct ; • Polarisée en inverse ; Figure 1.4. Jonction P-N. a) Jonction non polarisée La concentration des porteurs de charges, différente dans les deux zones voisines détermine aussi à la température ambiante un processus de diffusion d’une zone à l’autre. Les électrons et les trous se recombinant, de sorte que, au voisinage de la jonction seuls restent à l’équilibre des ions négatifs du côté P et des ions positifs du côté n. Un champ électrique propre E va 0 apparaître, déterminant une barrière de potentiel V , qui empêchera les déplacement des 0 électrons de la zone N vers la zone P et des trous de la zone P vers la zone N (figure 1.5) Figure 1.5. Jonction P-N non polarisée On peut conclure que, à l’équilibre thermique, une barrière de potentiel interne V est apparue 0 dans une zone voisine de la jonction, zone appelée de transition ou de charge d’espace, (space charge region ; depletion region) qui se comporte comme une couche électrique double. 3 DISPOSITIVES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE COURS 1 La zone de charge d’espace pauvre en porteurs, a une résistivité et une résistance électrique élevées. Son épaisseur l et ses caractéristiques électriques sont déterminées pat le pourcentage 0 de dopage en impuretés. S’il croit, l diminue, la valeur maximale E du champ E et la 0 max 00 barrière de potentiel V vont s’élever, l diminue aussi, lorsque la température augmente. La 0 0 tension correspondant à la barrière de potentiel est appelée tension de seuil ou de diffusion. Pour une diode de puissance, elle est notée V et sa valeur est indiquée sur les catalogues de T0 composants. b) Jonction polarisée en direct Une polarisation directe sous la tension V entraîne l’apparition d’un champ F électrique E ,champ de sens contraire à E , dans la zone de charge d’espace (figure 1 .6).La F 0 barrière de potentiel voit alors sa valeurs réduite de V à V -V . Si V -V >0, le champ résultant 0 0 F 0 F garde le même sens, mais l’épaisseur de la zone de charge d’espace diminue, permettant à un certain nombre de porteurs majoritaires, d’énergie suffisante, de traverser la jonction. Ce faible courant ainsi apparu augmente avec la tension extérieure de polarisation V. Quand V=V , la F 0 F zone de charge d’espace disparaît, les porteurs majoritaires passent par la jonction sans aucun opposition. On dit que la jonction est devenue passante. Figure 1.6. Jonction polarisée en direct c) Jonction polarisée en inverse. (figure 1.7) L’application d’une tension extérieure inverse inverse V entraîne l’apparition dans la région de R charge d’espace d’un champ électrique ER de même sens que E0. Le champ résultant détermine d’élevation de l’épaisseur de la zone de transition et de la barrière de potentiel, de la valeur V à V +V . En ce cas seulement, un petit nombre de porteurs minoritaires va passer par 0 0 R la jonction sous l’influence du champ électrique résultant. Cela détermine le courant inverse I très faible, circulant de la zone N vers la zone P. Si V R R croît, I reste relativement constant jusqu’à la valeur V , appelée tension d’avalanche. R BR 4 DISPOSITIVES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE COURS 1 Figure 1.7. Jonction polarisée en inverse Le courant inverse prend alors brusquement une valeur très grande à cause des ionisations par choc et de la rupture des liaisons covalentes existant dans le cristal. Il y a destruction de la jonction P-N. I.1.2 La structure P-S-N. Les diodes de puissance doiventsupporter en conduction de fortes densités de courant (60 à 100 2A/cm), tout en ayant une faible chute de tension. Dans le même temps, les tensions inverses admises dans l’état de polarisation inverse peuvent être élevées. Pour assurer les deux premières condition, un fort dopage en impuretès est nécessaire, entraînant en champ propre E à la jonction 0 de valeur importante, donc une tension inverse extérieure V maximale admissible de faible valeur. R Pour pallier à cet inconvènient, on a développé la structure P -S-N (figure 1.8). Entre les deux couches N et P fortement dopées en impuretés, on a introduit une couche S faiblement dopée, par p exemple avec des atomes receveurs. L’épaisseur de cette couche ne doit pas dépasser la longeur de diffusion des porteurs, car en polarisation directe, les porteurs majoritaires doivent passer d’une zone à l’autre en se recombinant peu. 5 DISPOSITIVES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE COURS 1 Figure 1.8. Structure P-S-N En ce cas, la structure P -S-N polarisée en direct se comporte comme une jonction P -N. En polarisation inverse ( - à A, + à K, figure 1.8), la charge d’espace s’élargit dans la zone S (figure p 1.8.b), répartissant la plus grande partie de la tension inverse extérieure entre les couches S et N. Le p champ électrique, à cette jonction, ayant une faible valeur, la structure P -S-N pourra bloquer des tensions inverses de valeur supérieure à celle que bloquerait la structure P-N. Les diodes de puissance sont construites autour de cette structure de base. 6 DISPOSITIVES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE COURS 2 I.2. La caracteristique statique courant – tension Cette caractéstique représente l’evolution du courant passant dans la diode en fonction de la chute de tension à ses bornes en courant continu (figure I.9). Le premier quadrant donne la caracteristique directe I (V ) pour la diode polarisée en direct et le F F second quadrant donne la caractéristique inverse I (V ) correspondant à la polarisation inverse. R R Figure I.9. Caractéristique statique courant – tension La caractéristique de la diode peut être décrite théoriquement par l’ équation : vAKæ m UTI = I e -1 (I.1) D S Ł ł avec : I : courant dans la diode ; D V : tension aux bornes de la diode ; AK I : courant de saturation (théoriquement, le courant inverse) ; S k × T U = : tension thermique ; T e0 -23 k : 1,38× 10 J / K , constante de Boltzman ; T : temperature absolue en Kelvin ; -19 e : 1,6× 10 C , charge d’électron ; 0 m : facteur de correction, qui tient compte de l’écart de la théorie simplifiée développée par Schottky ; A la température ambiante, -23k ×T 1.38×10 J / K ×296K U = = (I.2) T -19e 1.6×10 C0 L’équation (I.1) peut être appliquée : a) Dans le cas de polarisation directe : 7 ÷ ç ÷ ç×ö DISPOSITIVES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE COURS 2 V VF F mU mUT TI fi I ;V fi V et e >>1 donc : I = I e (I.3) D F AK F F S b) Dans le cas de polarisation inverse : VF mUTI fi I ;V fi V et e <<1 donc : I = -I (I.4) D R AK R R S Cette relation (I.4) montre la signification du courant I . S La valeur de la tension d’avalanche V , entraînant la destruction de la diode dépend de la BR température et du dopage du semi-conducteur. Cette valeur augmente avec la température car la durée de vie moyenne des porteurs diminue en ce cas. La figure I.10 illustre diverses remarques. Fig. I.10. Modification de la caractéristique avec la temperature En examinant la figure I.9, on peut voir la signification de quelques donnés du catalogue : V , T0 V , V , V , I : FM RRM RSM RM • V est la chute maximale de tension dans la diode pour le courant nominal I , elle FM F est comprise entre 1.1 et 1.5 V ; • V est la tension inverse de pointe répétitive, valeur de crête maximale admissible RRM en inverse en régime répétitif ; • I est le courant inverse la diode ayant à ses bornes V ; RM RRM • V est la tension inverse de pointe non répétitive, valeur de crête maximale RSM admissible de la tension inverse pouvant être appliquée accidentellement sans détruire la diode. En l’absence de cette information, on prend V =V . RSM RRM Dans le calcul des circuits à diodes, c’est la caractéristique statique qui prise en considération. D’une facon idéale, on suppose la chute de tension directe nulle et le courant inverse nul. La caractéristique idéale est représentée sur la figure I.11. 8 DISPOSITIVES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE COURS 2 Fig. I.11. Caractéristique statique idéale de la diode. Pour un calcul plus exact , on approxime la caractéristique par des segments de droite (figure I.12.a) d’équations: i = 0 pour v £ Vì F F T0 (I.5) í v = V + r i pour v > Vî F T0 T0 F F T0 que l’on peut modéliser par le circuit représenté sur la figure (I.12.b) présentant une diode idéale DI en série avec la source de tension continue V et la résistance T0 Dv Fdynamique r = » ctga . T Di F Fig.I.12. Approximation de la caractéristique statique par des segments I.3. LE REGIME DYNAMIQUE (de commutation). Le pasage de la diode de l’état passant á l’état bloque, ou inversement, n’est pas instantané. Les temps de commutation caractérisent le regime dynamique. A chaque commutation ,on perd une quantité d’énergie dépendant de la diode et du circuit extérieur. Il faut minimiser ces pertes et protéger la diode contre les dures contraintes extérieures. 9 × DISPOSITIVES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE COURS 2 I.3.1. Commutation à la fermeture. A l’application d’une tension continue directe, le régime transitoire correspondant au passage de la diode de l’état non polarisé à l’état passant est assez court. Sa durée t fr est déterminée par le temps nécessaire aux porteurs majoritaires pour envahir la couche centrale faiblement dopée et annuler ainsi la zone de charge d’espace . La figure 2.14 représente les évolutions de la chute de tension v et du courant i . f f Fig.I.13. Oscillogrammmes correspondant à la commutation à la fermeture. L’intervalle t est compté entre le moment d’application de la tension directe et le moment ou la fr chute de tension atteint à nouveau la valeur 1.1V (V : chute de tension f f en conduction). Il est d’ordinaire compris entre 1 et 20 ns, dépend de la diode et du circuit extérieur, et croit avec le courant I et la température de la jonction. F L’évolution de v est fonction du gradient de courant (di/dt) et de la valeur I . F F V , valeur maximale, croit avec I et dépend de l’épaisseur et de la surface de la F F couche centrale. Une petite épaisseur diminue V mais en même temps la tension F maximale applicable. Les pertes d’énergie à la fermeture peuvent être estimées en considérant des allures simplifiées pour les évolutions des courants et de la tension (figure I.14). 10