Introduction aux semi-conducteurs à large bande interdite
Table des matières
Les semi-conducteurs dont l’écart énergétique (Eg) est plus grand que celui des semi-conducteurs conventionnels, généralement supérieur à 2 V, sont appelés semi-conducteurs à large bande interdite (WbG).
En comparaison, les semi-conducteurs couramment utilisés, le Si et le GaAs, ont un gap de 1,1 eV et de 1,43 eV, respectivement. Ils ont été développés parce que la technologie des semi-conducteurs devait être étendue à la manipulation optique et aux dispositifs à haute puissance et à haute fréquence.
La plupart des WBGS sont essentiellement connus pour leur structure et leurs propriétés uniques. Diverses techniques de croissance ont été mises au point pour synthétiser des matériaux présentant d’excellentes propriétés, une faible concentration de défauts et un bon contrôle de leur stœchiométrie.
Les propriétés électroniques des WBGS se situent entre celles des semi-conducteurs classiques et des isolants, ce qui leur permet de fonctionner à des tensions, des fréquences et des températures beaucoup plus élevées que les matériaux semi-conducteurs classiques tels que le silicium et l’arséniure de gallium.
Les WBGS sont utilisés dans un large éventail d’applications, notamment les DEL ou les lasers à courte longueur d’onde (du vert à l’UV), les radars militaires et certaines applications de radiofréquence.
Leur tolérance élevée à la température les rend très intéressantes pour les applications militaires, et elles sont également utilisées dans les applications de conversion de puissance, où elles peuvent supporter des niveaux de puissance plus élevés dans des conditions de fonctionnement normales.
En outre, les WBGS peuvent être utilisés dans l’éclairage à semi-conducteurs, où ils ont le potentiel de réduire la quantité d’énergie nécessaire pour fournir un éclairage dont l’efficacité lumineuse est inférieure à 20 lumens par watt.
L’efficacité des LED utilisant des WBGS est de l’ordre de 160 lumens par watt.
L’écart énergétique des WBGS peut être adapté avec des atomes du groupe III (Al, Ga, In) et du groupe V (N, P, As, Sb) à large bande interdite. Formation d’alliages ternaires et quaternaires III-V et de semi-conducteurs composés II-VI.
L’élargissement de la bande interdite et donc la réduction de la production thermique de porteurs de charge permettent aux WBGS de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées, par exemple jusqu’à 300°C ou même 900°C.
La tension de claquage élevée et la vitesse de dérive élevée lui permettent de fonctionner à des fréquences de commutation élevées (>20 kHz) et à des tensions et courants plus élevés que les semi-conducteurs conventionnels.
Les matériaux WBG les plus courants comprennent le diamant et le carbure de silicium (SiC) et constituent le premier choix pour les dispositifs de haute puissance.
Ces matériaux sont utilisés dans une variété d’applications, y compris les applications à haute température et de commutation de puissance, l’éclairage à semi-conducteurs et le traitement des signaux de radiofréquence (RF).
Les WBGS ont également une vitesse élevée des électrons libres, ce qui leur permet de fonctionner à des vitesses de commutation plus élevées, ce qui les rend utiles pour les applications radio.
Un seul dispositif WBG peut être utilisé pour créer un système radio complet, éliminant ainsi le besoin de composants séparés pour les signaux et les radiofréquences, tout en fonctionnant à des fréquences et des niveaux de puissance plus élevés.
Les WBGS sont utilisés dans de nombreux domaines électroniques et optoélectroniques (Fig. 2).
Applications des semi-conducteurs à large bande interdite
Applications électroniques des semi-conducteurs à large bande interdite
- Électronique de puissance :
- Les dispositifs à large bande passante permettent d’améliorer l’efficacité énergétique, la densité de puissance et les températures de fonctionnement dans les convertisseurs, les onduleurs et les commandes de moteur.
- Informatique :
- Les capacités de commutation à grande vitesse des transistors à large bande améliorent les performances informatiques.
- Circuits RF :
- Le fonctionnement à haute fréquence et la gestion efficace de la puissance sont essentiels pour les systèmes de communication sans fil.
- Circuits de conversion de données :
- l’amélioration de la vitesse et de la précision des convertisseurs analogiques-numériques et numériques-analogiques.
- Mémoire flash :
- Les dispositifs de mémoire à large bande présentent des vitesses de lecture et d’écriture plus rapides, une durée de vie plus longue et une consommation d’énergie plus faible.
- Interfaces de capteurs :
- Les dispositifs à large bande passante améliorent la sensibilité des capteurs et les capacités d’interface.
Applications optoélectroniques des semi-conducteurs à large bande interdite
- Imagerie :
- Les dispositifs à large bande passante permettent de réaliser des systèmes d’imagerie à haute résolution et à haute sensibilité pour des applications scientifiques, médicales et industrielles.
- Communication optique :
- Les dispositifs optiques rapides et efficaces sont essentiels pour la transmission des données dans les réseaux de communication modernes.
- Détection optique :
- Les photodétecteurs à large bande passante offrent des solutions de détection précises et fiables pour la surveillance de l’environnement et de l’industrie.
- Circuits de conversion de données :
- l’amélioration de la vitesse et de la précision des convertisseurs analogiques-numériques et numériques-analogiques.
- Imagerie biomédicale :
- Les dispositifs d’imagerie de haute qualité contribuent aux progrès du diagnostic et de la recherche médicale.
- Circuits intégrés photoniques :
- Les matériaux à large bande passante permettent de réaliser des circuits photoniques compacts et efficaces pour le traitement des données et la communication.
- Technologie d’affichage :
- L’adoption de dispositifs à large bande interdite permet d’obtenir des écrans économes en énergie avec une meilleure précision des couleurs et une meilleure résolution.
Adaptation de l'écart énergétique et des choix de matériaux
Il y a plus d’implémentations de WBG basées sur les matériaux que d’implémentations traditionnelles basées sur le silicium.
Outre les applications illustrées dans la figure ci-dessus, on peut citer : les solutions d’énergie solaire, les onduleurs de chaîne monophasés, les onduleurs de chaîne triphasés, l’exploitation de l’énergie éolienne, l’alimentation auxiliaire, l’alimentation de base, l’échange à chaud, l’alimentation des baies de serveurs.
D’autres applications sont les solutions d’électrification des transports, telles que l’alimentation auxiliaire des véhicules électriques, les onduleurs de traction, la recharge des véhicules électriques, les générateurs de démarrage et les chargeurs embarqués.
Techniques et instruments d'analyse thermique
Les techniques d’analyse thermique sont essentielles pour comprendre le comportement thermique des matériaux WBG et garantir leur performance optimale dans les appareils électroniques.
Ils permettent aux chercheurs et aux ingénieurs de développer et d’optimiser les dispositifs WBG pour diverses applications, telles que l’électronique de puissance, les dispositifs RF et de puissance, et les batteries.
Les techniques d’analyse thermique utilisées pour l ‘ analyse de WBGS sont les suivantes :
- Mesure de la résistance thermique
- Mesure de la conductivité thermique
- Mesure de la résistance thermique de la frontière
- Gestion thermique et emballage
Linseis Thermal Analysis propose une gamme d’instruments pour l’analyse de la conductivité/résistivité thermique du WBGS et l’analyse des matériaux thermoélectriques.
Ces instruments sont conçus pour l’analyse des matériaux dans le cadre de la recherche et du contrôle de la qualité, et sont utilisés dans diverses industries telles que la chimie, l’automobile, les polymères et l’électronique.
Parmi les produits d’analyse thermique spécifiques de Linseis, on peut citer
- Analyseur de conductivité thermique :
- Ces instruments mesurent les propriétés de transfert de chaleur comme la conductivité thermique, la diffusivité thermique ou encore la capacité thermique spécifique, donnant des informations sur la capacité d’un WBGS à stocker et à transférer la chaleur ou la température.
Linseis dispose d’une large gamme d’instruments de conductivité thermique pour l’étude des WBGS, tels que :- Analyseur de flash laser (LFA) et le pont chaud transitoire (THB) permettant la détermination de la détermination de la diffusivité thermiquela conductivité thermique et la détermination de la capacité thermique spécifique avec une grande précision.
- L’analyseur de fréquence des lasers à couche mince (TF-LFA) et Analyseur de couches minces (TFA) sont conçus pour mesurer la diffusivité thermique et la conductivité thermique de films minces de l’ordre du µm au nm, qui sont par exemple couramment utilisés dans les industries informatiques.
- Ces instruments mesurent les propriétés de transfert de chaleur comme la conductivité thermique, la diffusivité thermique ou encore la capacité thermique spécifique, donnant des informations sur la capacité d’un WBGS à stocker et à transférer la chaleur ou la température.
- Analyseur thermoélectrique : Ces appareils mesurent la résistivité électrique, le coefficient Seebeck, la valeur ZT et le coefficient Hall et fournissent ainsi des informations sur la conductivité électrique, la concentration et la mobilité des porteurs de charge.
Parmi ces appareils d’essai, on trouve le Linseis LSR-1, LSR-3 (appareils de mesure de Seebeck et de résistivité de Linseis) et les appareils de la série série HCS (système de caractérisation Hall).
Résumé et conclusion
En résumé, les WBGS ont souvent des vitesses d’électrons libres élevées, ce qui peut affecter de manière significative les performances des dispositifs électroniques. L’élargissement de la bande interdite leur permet de fonctionner à des tensions, des fréquences et des températures plus élevées, tout en supportant des niveaux de puissance plus importants dans des conditions de fonctionnement normales.
Ils sont très utiles dans une large gamme d’applications, notamment militaires, radio, conversion d’énergie et éclairage à semi-conducteurs.
Citations :
- Josh Perry, Cooling Wide-Bandgap Materials in Power Electronics 15 juin 2018.
- Saravanan Yuvaraja, Vishal Khandelwal, Xiao Tang & Xiaohang Li, Wide bandgap semiconductor based
integrated circuits. Chip 2, 100072 (2023). Maria Katsikini, Wide Band Gap Materials, X-Ray Absorption Spectroscopy of Semiconductors, 2015, Volume 190. Yuan Qin, et al. - Anushree Ramanath- un article technique sur Applications of Wide Bandgap Devices 30 décembre 2021.
