Conception, optimisation et caractérisation d'un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium PDF Download
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Book Description
La thèse intitulée "Conception, caractérisation et optimisation d'un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium (SiC) et de leur diode associée", s'est déroulée au sein du laboratoire AMPERE sous la direction du Prof. D. PLANSON. Des premiers démonstrateurs de JFET ont été réalisés. Le blocage du JFET n'est pas efficace, ceci étant lié aux difficultés de réalisation technologique. Le premier travail a consisté en leur caractérisation précise puis en leur simulation, en tenant compte des erreurs de processus de fabrication. Ensuite, un nouveau masque a été dessiné en tenant en compte des problèmes technologiques identifiés. Les performances électriques de la nouvelle génération du composant ont ainsi démontré une amélioration importante au niveau de la tenue en tension. Dans le même temps, de nouveaux problèmes se sont révélés, qu'il sera nécessaire de résoudre dans le cadre de travaux futurs. Par ailleurs, les aspects de tenue en court-circuit des JFETs en SiC commercialement disponibles ont été étudiés finement. Les simulations électrothermiques par TCAD ont révélé les modes de défaillances. Ceci a permis d'établir finalement des modèles physiques valables pour les JFETs en SiC.
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La thèse intitulée "Conception, caractérisation et optimisation d'un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium (SiC) et de leur diode associée", s'est déroulée au sein du laboratoire AMPERE sous la direction du Prof. D. PLANSON. Des premiers démonstrateurs de JFET ont été réalisés. Le blocage du JFET n'est pas efficace, ceci étant lié aux difficultés de réalisation technologique. Le premier travail a consisté en leur caractérisation précise puis en leur simulation, en tenant compte des erreurs de processus de fabrication. Ensuite, un nouveau masque a été dessiné en tenant en compte des problèmes technologiques identifiés. Les performances électriques de la nouvelle génération du composant ont ainsi démontré une amélioration importante au niveau de la tenue en tension. Dans le même temps, de nouveaux problèmes se sont révélés, qu'il sera nécessaire de résoudre dans le cadre de travaux futurs. Par ailleurs, les aspects de tenue en court-circuit des JFETs en SiC commercialement disponibles ont été étudiés finement. Les simulations électrothermiques par TCAD ont révélé les modes de défaillances. Ceci a permis d'établir finalement des modèles physiques valables pour les JFETs en SiC.
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Dans le contexte des transports plus électriques, les parties mécaniques tendent à être remplacées par leurs équivalents électriques plus petits. Ainsi, le composant lui-même doit supporter un environnement plus sévère et de lourdes contraintes (haute tension, haute température). Les composants silicium deviennent alors inappropriés. Depuis la commercialisation des premières diodes Schottky en 2001, le carbure de silicium est le matériau reconnu mondialement pour la fabrication de dispositifs haute tension avec une forte intégration. Sa large bande d'énergie interdite et son fort champ électrique critique permettent la conception de transistors à effet de champ avec jonction (JFET) pour les hautes tensions ainsi que les diodes associées. Les structures étudiées dépendent de nombreux paramètres, et doivent ainsi être optimisées. L'influence d'un paramètre ne pouvant être isolée, des méthodes mathématiques ont été appelées pour trouver la valeur optimale. Ceci a conduit à la mise en place d'un critère d'optimisation. Ainsi, les deux grands types de structures de JFET verticaux ont pu être analysés finement. D'une part, la recherche d'une structure atteignant les tensions les plus élevées possible a conduit à l'élaboration d'un procédé de fabrication complexe. D'autre part, un souci de simplification et de stabilisation des procédés de fabrication a permis le développement d'un composant plus simple, mais avec une limite en tension un peu plus modeste.
Author: Alexandre Kerlain Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 8
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L'avènement de substrats de haute pureté nous a permis de réaliser les premiers composant performants et stables, sans dérive observable, au moins sur plusieurs dizaines d'heures d'amplification en régime nominal à pleine excitation. En particulier, une puissance de 50W a été obtenue à 500MHz sur un développement de 19,2mm (2.6 W/mm), avec une tension de polarisation de 70 V. La disparition des instabilités liés aux substrats nous a permis d'aborder la problématique de la passivation de ces composants, et de percevoir de manière anticipée l'acuité de ce problème fondamental pour la mise au point de transistors latéraux stables fonctionnant à haute tension. Les phénomènes de charge de l'isolant de passivation représentent actuellement l'une des limitations fondamentales de la fiabilité de ce type de composant. L'élimination de ces effets constitue une des clefs principales du développement et de l'industrialisation de la prochaine génération de transistors hyperfréquence de puissance.
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La filière carbure de silicium pour la réalisation de composants de puissance semble être prometteuse dans un avenir proche. Ses propriétés physiques en font un excellent candidat pour des applications où se mêlent haute tension et haute température. Le sujet abordé dans cette thèse entre intégralement dans ce domaine en proposant l'étude d'un composant limiteur de courant en carbure de silicium. Ce dispositif est destiné à la protection des sytèmes électriques contre les surintensités sur un réseau 50 Hz. La fonction demandée est de limiter le courant de surcharge sur une durée limitée et suffisante pour autoriser l'ouverture de la ligne par un organe disjoncteur dans des conditions propices. La conception d'un composant en SiC-4H répondant au cahier des charges (600 V / 50 A) a abouti à une définition des paramètres technologiques assistée par le logiciel de simulation par éléments finis développé par ISEtmTCAD. Un premier prototype, réalisé avec le concours du CNM (Barcelone), montre une densité de courant de saturation d'environ 200.A.cm-2 et une résistance série spécifique de 150 mégaOhms.cm2. Le concept proposé en simulation a été vérifié expérimentalement. Le démonstrateur a permis de "rôder" certains points technologiques et de définir un ensemble de corrections envisagées sur la réalisation d'un second prototype. Les prototypes suivant atteignent une densité de courant de saturation de 800 A.cm-2 avec une résistance série spécifique de 14 mégaOhms.cm2. Les seconds prototypes de composants limiteurs de courant en SiC-4H réalisés se situent parmi les meilleurs représentants des Accu-MOSFETs obtenus dans la littérature.
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Les systèmes d’électroniques de puissance ont grandement bénéficié du progrès révolutionnaire des composants de puissance en silicium (Si). Actuellement la quasi-totalité des applications d’électronique de puissance utilise des composants en Si. Les applications d’électroniques de puissance à haute température, haute tension et forte puissance sont de plus en plus croissantes et le silicium atteint ses limites. Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur à large bande d’énergie interdite. Les propriétés électriques de ce matériau devancent celles du silicium, ce qui signifie qu’un composant en SiC présente de meilleures performances par rapport à son équivalent en silicium (Si). Les différents travaux à travers le monde démontrent un avenir prometteur pour le SiC dans la prochaine génération des composants de puissance. Le transistor JFET-SiC est l’interrupteur le plus avancé dans son développement technologique car il est au stade de la pré-commercialisation. Un modèle de type circuit pour les composants en SiC présente une extrême importance pour l’analyse et la conception de circuits de convertisseurs, en particulier, si une comparaison avec les composants en Si est établie. Le travail réalisé au cours de cette thèse, consiste à caractériser électriquement plusieurs versions de JFET-SiC pour des températures comprises entre 25°C et 225°C. Les caractérisations sont basées sur des mesures DC (Courant - Tension) en utilisant un traceur de caractéristiques, des mesures AC (Capacité - Tension) en utilisant un analyseur d’impédance et des mesures en commutation sur charge R-L (Résistive-Inductive). L’objectif est d’établir un modèle analytique du transistor JFET-SiCED. Ce modèle est basé sur l’analyse physique et comportementale du JFET en tenant compte de l’influence de la température et de la présence des deux canaux intrinsèques. Le modèle a été développé en langage VHDL-AMS et validé en régime statique ainsi qu’en dynamique en utilisant le simulateur SIMPLORER 7.0. La validation du modèle montre une excellente concordance entre les mesures et la simulation.
Author: Antoine Litty Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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A l'heure où la miniaturisation des technologies CMOS sur substrat massif atteint des limites, la technologie FDSOI (silicium sur isolant totalement déserté) s'impose comme une alternative pour l'industrie en raison de ses meilleures performances. Dans cette technologie, l'utilisation d'un substrat SOI ultramince améliore le comportement des transistors MOSFETs et garantit leur intégrité électrostatique pour des dimensions en deçà de 28nm. Afin de lui intégrer de nouvelles fonctionnalités, il devient nécessaire de développer des applications dites « haute tension » comme les convertisseurs DC/DC, les régulateurs de tension ou encore les amplificateurs de puissance. Cependant les composants standards de la technologie CMOS ne sont pas capables de fonctionner sous les hautes tensions requises. Pour répondre à cette limitation, ces travaux portent sur le développement et l'étude de transistors MOS haute tension en technologie FDSOI. Plusieurs solutions sont étudiées à l'aide de simulations numériques et de caractérisations électriques : l'hybridation du substrat (gravure localisée de l'oxyde enterré) et la transposition sur le film mince. Une architecture innovante sur SOI, le Dual Gound Plane EDMOS, est alors proposée, caractérisée et modélisée. Cette architecture repose sur la polarisation d'une seconde grille arrière pour offrir un compromis RON.S/BV prometteur pour les applications visées.
Author: Elena Ivanova Dimitrova-Frey Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 196
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Actuellement, les systèmes à base de composants de puissance connaissent un fort développement dans le domaine des hautes tensions et des hautes températures. Le carbure de silicium (SiC) semble un matériau très prometteur pour remplir ces critères. Dans ce cadre, nous nous sommes concentrés sur l’analyse de composants de puissance, notamment les transistors JFET ainsi que leurs protections périphériques. Dans les gammes de tension envisagées, les composants seront de type verticaux afin d’assurer la tenue en tension. Le but de la thèse est d’améliorer la compréhension des phénomènes qui régissent le fonctionnement de ces composants. Leur structure présente la particularité de comporter deux canaux distincts : un canal vertical et un canal horizontal. On cherche donc à analyser leur fonctionnement interne afin d’optimiser leurs caractéristiques à l’état passant et plus particulièrement le pincement du canal, les lignes de courant et les équipotentielles. Pour cela, nous avons mis en œuvre un logiciel de simulation éléments finis (MediciTMA) afin d’étudier les caractéristiques de ces composants et d’observer l’influence des différents paramètres qui les définissent, qu’ils soient géométriques ou physiques (dopage des différentes zones). Nous avons développé un modèle analytique permettant de prédéterminer les caractéristiques statiques de ces transistors afin d’aider à leur conception. Ensuite nous allons comparer nos résultats avec les caractéristiques réelles des JFET fabriqués par la société SiCED qui présentent également deux canaux et les modélisations analytiques associées. Dans la dernière partie nous avons étudié la tenue en tension des composants SiC verticaux. Celle-ci se fait non seulement dans le volume mais également en périphérie sur la face supérieure de la puce. La structure de protection périphérique que nous avons plus particulièrement étudiée est de type JTE (Junction Termination Extension). Nous avons analysé l’influence de la largeur de la JTE et surtout son dopage afin d’obtenir la tenue en tension maximale. En conclusion, cette thèse permet d’améliorer la connaissance de l’influence des différents paramètres de conception sur le comportement du JFET à deux canaux, que ce soit à l’état bloqué (JTE) ou à l’état passant. Pour cela un modèle analytique a été développé qui permet une aide à la conception, mais aussi de mieux prédéterminer les pertes dans ces composants.
Author: Jacques Verdier Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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L'OBJECTIF DU TRAVAIL PRESENTE DANS CE MEMOIRE EST DE DEFINIR UNE METHODE RIGOUREUSE DE CONCEPTION D'OSCILLATEURS A FAIBLE BRUIT DE PHASE A BASE DE TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP (MESFET, HEMT ET HEMT PSEUDOMORPHIQUE) DANS LE CAS OU LE TRANSISTOR ET LE RESONATEUR SONT SIMULTANEMENT REFROIDIS A DES TEMPERATURES CRYOGENIQUES. DANS UNE PREMIERE PARTIE, NOUS PRESENTONS UNE CARACTERISATION ELECTRIQUE COMPLETE DES DIFFERENTS TYPES DE TEC A LA TEMPERATURE DE L'AZOTE LIQUIDE. NOUS INSISTONS PARTICULIEREMENT SUR LES MECANISMES DE PIEGEAGE-DEPIEGEAGE SUR DES CENTRES PROFONDS ET NOUS PROPOSONS UNE METHODE PERMETTANT DE S'AFFRANCHIR DU PHENOMENE DE COLLAPSE QUI EST L'INCONVENIENT MAJEUR AU FONCTIONNEMENT DU COMPOSANT REFROIDI. NOUS AVONS PU ALORS, A PARTIR DE MESURES DE PARAMETRES S ET IMPULSIONNELLES, EXTRAIRE UN MODELE FORT SIGNAL POUR CHAQUE TRANSISTOR. DANS UNE DEUXIEME PARTIE, NOUS ETUDIONS LES MECANISMES DE CONVERSION DU BRUIT BASSE FREQUENCE EN BRUIT DE PHASE DANS LES OSCILLATEURS A BASE DE TEC. NOUS EXAMINONS TOUT D'ABORD L'INFLUENCE DU SIGNAL MICROONDE SUR L'AMPLITUDE ET LA FORME DES SPECTRES DE BRUIT BASSE FREQUENCE. NOUS ANALYSONS ENSUITE LES FLUCTUATIONS DE FREQUENCE DE L'OSCILLATEUR A PARTIR DU PRODUIT DU BRUIT BASSE FREQUENCE DU TEC ET DU FACTEUR DE PUSHING. L'INCAPACITE DE CETTE METHODE POUR DES TENSIONS DE POLARISATION DE GRILLE OU LE FACTEUR DE PUSHING DECROIT JUSQU'A LA VALEUR NULLE EST ALORS CLAIREMENT MONTRE. EN CONSEQUENCE, NOUS PRESENTONS UN NOUVEAU MODELE NON-LINEAIRE DE TEC UTILISANT DEUX SOURCES DE BRUIT NON CORRELEES RENDANT COMPTE DES EFFETS DISTRIBUES LE LONG DE LA REGION ACTIVE DU COMPOSANT. LA DERNIERE PARTIE DE CE MEMOIRE EST CONSACREE A LA REALISATION ET A LA CARACTERISATION D'UN OSCILLATEUR CRYOGENIQUE A BASE DE TEC.
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Dans le domaine de l'électronique de puissance, les dispositifs en carbure de silicium (SiC) sont bien adaptés pour fonctionner dans des environnements à haute température, haute puissance, haute tension et haute radiation. Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur à large bande d'énergie interdite. Ce matériau possède des caractéristiques en température et une tenue aux champs électriques bien supérieure à celles de silicium. Ces caractéristiques permettent des améliorations significatives dans une grande variété d'applications et de systèmes. Parmi les interrupteurs existants, le JFET en SiC est l'interrupteur le plus avancé dans son développement technologique, et il est au stade de la pré-commercialisation. Le travail réalisé au cours de cette thèse consiste à caractériser électriquement des JFET- SiC de SiCED en fonction de la température (25°C-300°C). Des mesures ont été réalisé en statique (courant-tension), en dynamique (capacité-tension) et en commutation sur charge R-L (résistive-inductives) et dans un bras d'onduleur. Un modèle multi-physique du transistor VJFET de SiCED à un canal latéral a été présenté. Le modèle a été développé en langage MAST et validé aussi bien en mode de fonctionnement statique que dynamique en utilisant le simulateur SABER. Ce modèle inclut une représentation asymétrique du canal latéral et les capacités de jonction de la structure. La validation du modèle montre une bonne concordance entre les mesures et la simulation.
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LE CARBURE DE SILICIUM (SIC) EST UN MATERIAU A LARGE BANDE INTERDITE COMBINANT UNE VITESSE DE SATURATION DES ELECTRONS ELEVEE, UN FORT CHAMP DE CLAQUAGE, UNE TRES BONNE CONDUCTIVITE THERMIQUE ET DE NOMBREUSES PROPRIETES SPECIFIQUES QUI EN FONT UN CANDIDAT DE CHOIX POUR REPOUSSER LES LIMITES DU SILICIUM (SI) ET DE L'ARSENIURE DE GALLIUM (ASGA), DANS LES DOMAINES DE LA PUISSANCE, DES HAUTES TEMPERATURES ET DES HAUTES FREQUENCES. CE TRAVAIL PRESENTE LA CARACTERISATION ET LA MODELISATION DE DISPOSITIFS SIC DEDIES EN PARTICULIER AUX APPLICATIONS HYPERFREQUENCES DE PUISSANCE. LES AVANTAGES DU SIC POUR CE TYPE D'APPLICATIONS SONT DETAILLES DANS LE PREMIER CHAPITRE. LA DESCRIPTION DES PRINCIPES DE MESURE EN HAUTE FREQUENCE EST AUSSI PRESENTEE. DANS LE SECOND CHAPITRE, NOUS AVONS CARACTERISE DES LIGNES DE TRANSMISSION COPLANAIRES REALISEES SUR DES SUBSTRATS SIC DE RESISTIVITES DIFFERENTES ET ANALYSE LES DIFFERENTS MODES DE PROPAGATION PRESENTS DANS CHAQUE STRUCTURE. LE TROISIEME CHAPITRE EST CONSACRE A L'ETUDE STATIQUE DES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP ET A CONTACT SCHOTTKY (MESFET). L'INFLUENCE DES EFFETS D'AUTOECHAUFFEMENT SUR LES CARACTERISTIQUES DES TRANSISTORS EST ANALYSEE. LE CHAPITRE IV CONCERNE PARTICULIEREMENT LES PERFORMANCES DES MESFET DANS LA GAMME 45 MHZ-18 GHZ. LA MODELISATION PETIT SIGNAL DE CES COMPOSANTS A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES EFFETS D'AUTOECHAUFFEMENT SUR LES PERFORMANCES HYPERFREQUENCES. DANS LE DERNIER CHAPITRE, UNE ETUDE EN BRUIT BASSE FREQUENCE (
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