auteur
Richardson RFPD
Stockage d'énergie et conversion d'énergie
WBG Semiconducteurs
Alors que le silicium est une substance chimique unique, le carbure de silicium est un composé de carbone et de silicium. Le nitrure de gallium est un composé de gallium et d'azote. C'est pourquoi les semi-conducteurs produits à partir de ces composants sont également appelés "semi-conducteurs composés".
Le SiC et le GaN entrent dans la catégorie des semi-conducteurs WBG et offrent plusieurs avantages par rapport aux semi-conducteurs traditionnels en silicium.
Les VE, les systèmes d'énergie renouvelable et l'électronique grand public de la prochaine génération repoussant les limites du possible, les matériaux à large bande interdite sont sur le point d'occuper le devant de la scène.
Avantages de WBG Semiconductors
Le silicium a dominé pendant de nombreuses années, mais il atteint ses limites de performance dans un nombre croissant d'applications existantes et émergentes. Le SiC et le GaN offrent des avantages importants en termes de fiabilité, d'efficacité énergétique, de densité de puissance et de réduction de la taille et du coût des systèmes. Ces avantages donnent au SiC et au GaN la possibilité de créer des dispositifs électroniques et optiques de pointe dont les performances sont largement supérieures à celles du silicium.
Comme les semi-conducteurs WBG peuvent résister à des champs électriques plus importants, ils peuvent supporter des tensions plus élevées. Ils peuvent également fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées, ce qui améliore les performances, minimise les besoins de filtrage et permet d'utiliser des composants d'inductance et de condensateur associés plus petits.
Par rapport au silicium, ces facteurs présentent plusieurs avantages, notamment un fonctionnement plus petit, plus rapide, plus efficace et plus fiable. Les capacités de tension plus élevée ouvrent des opportunités dans les conceptions de puissance plus élevée avec des efficacités considérablement améliorées, permettant la même performance dans des facteurs de forme plus petits - ou une performance améliorée dans le même facteur de forme. L'efficacité est inversement proportionnelle au poids et, en fin de compte, aux émissions de carbone associées au fonctionnement de l'application cible.
De nombreux dispositifs basés sur les technologies WBG offrent également l'avantage de fonctionner à des températures maximales plus élevées que leurs homologues en silicium.
SiC vs GaN : une comparaison
Par rapport au silicium, dont la bande interdite est de 1,12 eV (électron-volt), les bandes interdites du GaN et du SiC sont environ trois fois plus élevées, à savoir 3,4 eV et 3,2 eV, respectivement. Cela signifie que ces deux matériaux peuvent supporter des tensions plus élevées avec des matrices plus fines, ce qui contribue à augmenter la fréquence de commutation. En outre, il existe plusieurs différences de propriétés matérielles entre les technologies, qui ont une incidence sur leur fonctionnement et leur utilisation. Les principales différences peuvent être résumées comme suit :
Mobilité des électrons : La différence la plus importante entre le GaN et le SiC est la mobilité des électrons. Il s'agit d'une mesure de la vitesse à laquelle les électrons peuvent se déplacer dans le matériau semi-conducteur. Alors que le silicium a une mobilité électronique de 1500 cm2/Vs, le GaN a une mobilité électronique de 2000 cm2/Vs, ce qui signifie que les électrons peuvent se déplacer plus de 30% plus vite que les électrons du silicium. Le SiC, quant à lui, a une mobilité électronique de 700 cm2/Vs, ce qui signifie que les électrons du SiC se déplacent plus lentement que ceux du GaN et du silicium. Avec une mobilité électronique aussi élevée, le GaN est presque trois fois plus adapté aux applications à haute fréquence.
Intensité du champ de claquage: Le GaN et le SiC ont des intensités de champ de rupture similaires - 3,3 MV/cm pour le GaN et 3,5 MV/cm pour le SiC. Le silicium a un champ de claquage de 0,3 MV/cm, ce qui signifie que le GaN et le SiC sont presque dix fois plus capables de maintenir des tensions plus élevées par unité d'épaisseur de matrice. Ils sont également capables de supporter des tensions plus basses en utilisant des dispositifs beaucoup plus petits et plus minces.
Conductivité thermique: La conductivité thermique d'un matériau est sa capacité à transférer la chaleur. La conductivité thermique influence directement l'augmentation de la température du matériau au cours de son utilisation. Dans les applications à haute puissance, les inefficacités des matériaux créent de la chaleur, ce qui augmente la température du matériau et modifie par la suite ses caractéristiques électriques. La conductivité thermique du GaN est de 1,3 W/cmK, ce qui est inférieur à celle du silicium (1,5 W/cmK).
Le SiC a une conductivité thermique de 5 W/cmK, ce qui le rend trois fois plus performant pour transférer les charges thermiques. Cela donne au SiC un avantage dans les applications à haute puissance et à haute température qui ne nécessitent pas toujours une commutation à haute fréquence, mais qui ont besoin d'une tension plus élevée et d'une meilleure dissipation de la chaleur. Les exemples incluent les véhicules électriques, certaines conceptions d'énergie solaire, la traction ferroviaire, les éoliennes, la distribution du réseau et l'imagerie industrielle et médicale.
Les principales caractéristiques du GaN et du SiC sont résumées dans le tableau 1.
Paramètres | Symbole | Unité | Si | SiC | GaN | Bande interdite | Ec | eV | 1.12 | 3.2 | 3.43 |
|---|---|---|---|---|---|
Constante diélectrique relative | εs | - | 11.9 | 10 | 9.5 |
Mobilité des électrons | μn | cm2/(V.s) | 1500 | 700 | 2000 |
Vitesse maximale des électrons | vpic | 107> - cm/s | 1 | 2 | 2.5 |
Champ électrique critique | Ec | MV/cm | 0.3 | 3.0 | 3.3 |
Tableau 1 : Principales caractéristiques des semi-conducteurs SiC et GaN
SiC & GaN : Exemples d'applications
Les composants WBG sont idéaux pour les applications de puissance, mais leur utilisation est très diversifiée dans de nombreux secteurs. D'une manière générale, le SiC est couramment utilisé dans les applications à haute tension et à haute puissance, tandis que le GaN excelle dans les applications à basse tension, à haute fréquence et dans les applications où la haute efficacité est un objectif de conception primordial. Parmi les exemples d'applications des dispositifs SiC, on peut citer
Véhicules électriques et chargeurs rapides/transfert d'énergie sans contact: Le remplacement d'un dispositif au silicium utilisé dans les onduleurs par un dispositif SiC à faibles pertes permettra d'obtenir un onduleur très efficace et plus léger, d'étendre l'autonomie des véhicules électriques et de réduire la charge de la batterie. Les dispositifs SiC avec une tension de tenue élevée et un fonctionnement à haute fréquence sont optimaux pour les chargeurs rapides de véhicules électriques utilisant le transfert d'énergie sans contact.
Onduleurs pour les énergies renouvelables (solaire et éolienne): Dans les systèmes d'énergie solaire et éolienne, à des niveaux de puissance plus élevés, les onduleurs SiC peuvent maximiser la production d'énergie en minimisant les pertes de puissance. La durabilité et la fiabilité du carbure de silicium sont un autre facteur qui incite les fabricants et les ingénieurs de l'énergie solaire à utiliser ce matériau plutôt que d'autres. La fiabilité du carbure de silicium permet aux systèmes d'énergie solaire d'atteindre la longévité stable dont ils ont besoin pour fonctionner en continu pendant plus d'une décennie. Il convient également de noter que les dispositifs GaN trouvent leur place dans les petits onduleurs solaires, en particulier dans les "micro-onduleurs" par panneau où l'efficacité est très importante.
Entraînements de moteurs industriels: Le SiC fournit des inverseurs de moteur plus efficaces, plus petits et plus performants sur le plan thermique, ce qui permet de placer le variateur de vitesse localement ou sur le moteur lui-même. L'efficacité du SiC et sa capacité à gérer des puissances élevées améliorent les performances des moteurs industriels dans les usines et les installations industrielles.
Alimentations haute tension: Les transistors SiC jouent un rôle essentiel dans la construction d'alimentations haute tension efficaces et compactes.
Alors que le SiC domine le domaine de la haute puissance, le GaN excelle à des niveaux de puissance inférieurs (quelques kilowatts). Les transistors GaN offrent des pertes de conduction et des pertes d'énergie de commutation plus faibles, ce qui se traduit par une efficacité accrue et un facteur de forme réduit du système. Voici quelques exemples d'applications :
Convertisseurs DC-DC (régulateurs de tension): L'amélioration de l'efficacité du GaN le rend idéal pour les régulateurs de tension dans divers appareils électroniques.
les blocs d'alimentation USB-PD: Ces dispositifs doivent pouvoir se charger rapidement et fournir des tensions multiples pour permettre la connexion de divers dispositifs. Ils doivent également être aussi compacts que possible pour pouvoir être transportés. Les dispositifs GaN tels que les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) sont efficaces pour répondre à ces exigences, car ce sont des dispositifs à haute tension capables de commuter le MHz tout en conservant un rendement élevé.
Systèmes radar: Les caractéristiques de densité de puissance élevée des dispositifs GaN permettent de concevoir des systèmes plus compacts et plus légers, tout en offrant des portées de détection plus longues et une résolution plus élevée.
les tours de communication 5G et 6G: La vitesse plus rapide et la densité de puissance plus élevée du GaN en font la solution idéale pour les applications micro-ondes, en particulier dans les réseaux 5G et 6G. Les principales alternatives, les dispositifs MOS à diffusion latérale en silicium (LDMOS), sont moins coûteuses mais offrent des performances moindres. Aux fréquences de 4 GHz et plus, le GaN est peu concurrencé.
Communications sans fil à haut débit: Les dispositifs à base de GaN, en raison de leur tension de claquage élevée et de leur grande mobilité électronique, peuvent fonctionner dans la gamme de fréquences térahertz, devenant ainsi des technologies clés pour les communications sans fil à très haut débit de la prochaine génération (
).
Optoélectronique: Le GaN est le matériau de base des LED bleues et des lasers, qui sous-tendent les technologies d'affichage et de stockage optique, tandis que les LED blanches basées sur le GaN sont la pierre angulaire des solutions modernes d'éclairage à semi-conducteurs à faible consommation d'énergie.
Une comparaison qualitative entre ces deux semi-conducteurs WBG est résumée dans le tableau 2.
Fonctionnalité | SiC | GaN | Tension | Haut (au-dessus de 650 V) | Moyen (jusqu'à 650 V) |
|---|---|---|
Puissance | Moyen à élevé | Faible à moyen |
Tolérance de température | Haut | Modéré |
Fréquence | Modéré | Haut |
Taille du système | Plus grand | Plus petit |
Coût | Plus bas | Plus élevé |
Applications typiques | Réseaux électriques, onduleurs pour véhicules électriques, moteurs | Dispositifs RF, alimentations à haute vitesse, conceptions compactes |
Tableau 2 : Comparaison qualitative entre SiC et GaN
Impact sur l'environnement
Les industries accordant de plus en plus d'importance à la durabilité et à la responsabilité environnementale, l'évaluation de l'impact environnemental de matériaux tels que le SiC et le GaN devient essentielle.
Le carbure de silicium présente plusieurs avantages pour l'environnement, principalement en raison de sa durabilité et de son efficacité. Sa conductivité élevée et ses pertes de commutation plus faibles à haute tension réduisent les pertes d'énergie dans l'électronique de puissance, ce qui permet d'améliorer l'efficacité énergétique et de réduire les émissions de gaz à effet de serre. La robustesse et la fiabilité du SiC contribuent à prolonger la durée de vie des produits, réduisant ainsi les déchets électroniques.
En outre, le SiC est considéré comme un matériau relativement abondant, les sources de silicium et de carbone disponibles pour la production étant abondantes, ce qui réduit les inquiétudes concernant l'épuisement des ressources. En ce qui concerne l'élimination, la stabilité chimique du SiC le rend inerte et non toxique, ce qui pose des risques environnementaux minimes dans les scénarios de fin de vie.
Le GaN offre des avantages environnementaux principalement grâce à son efficacité énergétique et à ses caractéristiques de haute performance. Sa faible résistance à l'enclenchement et ses vitesses de commutation rapides permettent de réduire les pertes de puissance, ce qui se traduit par une diminution de la consommation d'énergie et des émissions de carbone dans diverses applications déjà évoquées plus haut.
Les préoccupations concernant l'impact environnemental du GaN portent principalement sur l'approvisionnement en gallium, un élément relativement rare extrait par des processus miniers. Toutefois, les efforts en cours pour améliorer les techniques d'extraction du gallium et explorer des sources alternatives visent à atténuer ces préoccupations et à garantir une production durable de GaN.
Si le SiC et le GaN offrent des avantages environnementaux significatifs par rapport aux matériaux semi-conducteurs conventionnels, il est essentiel de poursuivre les efforts de recherche et de développement afin d'optimiser encore leur profil de durabilité.
Coût et chaîne d'approvisionnement
L'un des principaux problèmes d'approvisionnement en GaN et SiC est leur coût relativement plus élevé que celui du silicium. Le GaN et le SiC sont plus chers, principalement en raison de la complexité de leurs processus de croissance et de fabrication des dispositifs. Par exemple, la croissance épitaxiale nécessaire pour obtenir des couches de GaN et de SiC de haute qualité fait appel à des techniques avancées qui sont plus coûteuses et moins mûres que celles utilisées pour le silicium.
En outre, la disponibilité de plaquettes de grand diamètre est limitée, ce qui augmente les coûts et affecte l'évolutivité des processus de fabrication. Cet obstacle financier peut dissuader certaines industries, en particulier celles dont les marges sont faibles, d'adopter ces semi-conducteurs avancés.
La chaîne d'approvisionnement et le contrôle de la qualité posent des problèmes supplémentaires. La fabrication du GaN et du SiC étant relativement récente, peu de fournisseurs sont en mesure de produire régulièrement des matériaux de haute qualité. Cela peut entraîner des goulets d'étranglement et des délais de livraison plus longs.
En outre, la garantie de la fiabilité et de l'uniformité des dispositifs exige des mesures rigoureuses de contrôle de la qualité.
Cependant, l'industrie fait des progrès considérables pour relever ces défis. Les progrès réalisés dans la production en vrac, la croissance épitaxiale et la fabrication de dispositifs réduisent régulièrement les coûts et améliorent la qualité des dispositifs GaN et SiC. En outre, à mesure que des économies d'échelle sont réalisées, la disparité de prix avec le silicium devrait se réduire, ce qui permettra aux semi-conducteurs à large bande interdite d'être encore plus adoptés.
GBM : L'avenir de l'électronique
Le choix entre SiC et GaN dépend des exigences spécifiques d'une application. Alors que le SiC est la solution idéale pour les applications à haute tension et à haute puissance, le GaN excelle dans les scénarios à haute fréquence et axés sur l'efficacité. Le concepteur d'un système doit tenir compte de facteurs tels que la tension nominale, la puissance requise, la gamme de fréquences, la tolérance à la température et le budget avant de prendre une décision. En outre, si le projet exige des composants facilement disponibles et des pratiques de conception établies, le SiC peut être le choix le plus pratique.
Quel que soit le matériau choisi, le SiC et le GaN représentent l'avenir de l'électronique de puissance. Les VE, les systèmes d'énergie renouvelable et l'électronique grand public de la prochaine génération repoussant les limites du possible, les matériaux à large bande interdite sont sur le point d'occuper le devant de la scène.
