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Quelques mots concernant le SiC :
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Le minéral de carbure de silicium naturel fut découvert en 1893 par chimiste français Henri Moissan dans la météorite de Canyon Diablo, tombée il y a environ 50 000 ans dans l'Arizona, aux États-Unis.
- Le carbure de silicium aurait été synthétisé pour la première fois par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius dans la première moitié du XIXe siècle, dans le cadre de ses travaux sur le silicium59
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Moissanite (SiC), grossissement 14x, collection de minéraux du département de géologie de l'université Brigham Young, Provo, Utah. |
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Les applications du SiC se diversifièrent rapidement, et il fut employé dans les détecteurs des premières radios dès le début du xxe siècle.
- Le Britannique Henry Round réalisa les premières diodes électroluminescentes (LED) en appliquant une tension électrique à un cristal de SiC, ce qui permettait d'observer des émissions de lumière jaune, verte et orange à la cathode.
- Ces expériences furent ensuite reproduites par le Russe Oleg Lossev en 1923
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Reconstitution de l'expérience de Henry Round avec les LEDs et le cristal de SiC. |
La méthode Lely1 permet de faire croître de grands cristaux uniques de carbure de silicium, qui peuvent être taillés en gemmes appelées moissanites synthétiques.
Le SiC :
Le SiC est un semi-conducteur composé de silicium (Si) et de carbone (C), chimique et dur. Il appartient à la famille des matériaux à large bande interdite et présente une liaison physique très forte, ce qui lui confère une grande stabilité mécanique, chimique et thermique.
- Semi-conducteur, il est présent dans la nature sous la forme d'un minéral extrêmement rare, la moissanite, mais il est produit en masse sous forme de poudre et de cristaux depuis 1893 pour être utilisé comme abrasif.
- Les grains de carbure de silicium peuvent être assemblés par frittage pour former des céramiques très dures qui sont largement utilisées dans des applications nécessitant une grande endurance telles que :
- Automobile (freins, embrayages)
- Astronomie
- Joaillerie
- Composants électroniques (LEDs, Electronique de puissance, Transistors (MOSFET, FET, JFET), Diodes)
- Plaques en céramique des gilets pare-balles
Nous nous pencherons plus précisément sur les composants électroniques et leurs avantages technologique avec le SiC
- Le carbure de silicium est utilisé dans les dispositifs électroniques à semi-conducteurs qui fonctionnent à des températures élevées ou à des tensions élevées, ou les deux.
La production de SiC :
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Le SiC est présent dans la nature sous la forme d'un minéral extrêmement rare, la moissanite, mais il est produit en masse sous forme de poudre et de cristaux depuis 1893 pour être utilisé comme abrasif.
- Acheson a breveté la méthode de fabrication de la poudre de carbure de silicium le 28 février 1893
- Acheson a également mis au point le four électrique discontinu par lequel le carbure de silicium est encore fabriqué aujourd'hui et a créé la Carborundum Company pour fabriquer du carbure de silicium en vrac, initialement pour une utilisation en tant qu'abrasif.
- Le carbure de silicium pur peut être fabriqué par le procédé Lely1, dans lequel la poudre de SiC est sublimée en espèces de silicium, de carbone, de dicarbure de silicium (SiC2) et de carbure de disilicium (Si2C) à haute température dans une atmosphère d'argon à 2500 °C et redéposée en monocristaux en forme de paillettes, d'une taille pouvant atteindre 2 × 2 cm, sur un substrat légèrement plus froid.
- Ce procédé permet d'obtenir des monocristaux de haute qualité, principalement de la phase 6H-SiC (en raison de la température de croissance élevée).
- Un procédé Lely modifié impliquant un chauffage par induction dans des creusets en graphite permet d'obtenir des monocristaux encore plus grands, d'un diamètre de 10 cm, dont la section est 81 fois supérieure à celle du procédé Lely conventionnel.
- Le SiC peut également être transformé en plaquettes en découpant un cristal unique à l'aide d'une scie à fil diamanté ou d'un laser. Le SiC est un semi-conducteur utile dans l'électronique de puissance.
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Échantillon de carbure de silicium sous forme de boule : Monocristal de carbure de silicium (SiC) du laboratoire LMGP (Minatec) à Grenoble, France
Carbure de silicium cultivé par la méthode Lely
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Wafer pour production de puces à base de SiC
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Une boîte de transport contenant deux plaquettes de six pouces (∅150 mm) en carbure de silicium, destinées à être utilisées comme substrats pour la croissance homoépitaxiale de couches de transistors en SiC par MOVPE.
- Un stylo à bille a été ajouté comme échelle
Notez que la transparence de la plaquette est d'environ 50 % dans le spectre visible, en raison de l'absorption de sous-bandes. Notez également la zone elliptique plus foncée sur la tranche supérieure, qui est un trait caractéristique du processus de production utilisé.
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Les FETs, JFETs, MOSFETs
Les MOSFET sont les éléments de base de l'électronique moderne et sont considérés comme l'une des inventions les plus importantes du siècle dernier. Toutefois, des améliorations ont été apportées aux MOSFET, notamment le passage du silicium (Si) au carbure de silicium (SiC), ce qui a considérablement amélioré leurs performances.
Mais qu'est-ce qu'un MOSFET ?
Notions de base sur les MOSFET :
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Un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) est un transistor à effet de champ, ce qui signifie qu'il contrôle le flux de courant en utilisant un champ électrique.
Le MOSFET possède généralement trois bornes : la grille (1), le drain (2) et la source (3). Le courant qui passe entre le drain et la source est contrôlé par une tension appliquée à la grille.
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- Par rapport à d'autres types de transistors, les MOSFET ont une densité de puissance plus élevée, ce qui constitue un avantage certain.
- En outre, par rapport aux BJT (transistors à jonction bipolaire), les MOSFET nécessitent une quantité minimale de courant d'entrée afin de contrôler le courant de charge.
Le silicium a longtemps été le matériau semi-conducteur de choix pour les MOSFET. Cependant, un changement majeur est en train de s'opérer.
- Le carbure de silicium s'est avéré changer la donne dans la technologie des MOSFET, en offrant toute une série d'avantages.
Comparaison : SiC vs Si dans des applications de (MOS)(J)FETs
Le carbure de silicium présente une longue liste d'avantages par rapport au Si lorsqu'il est utilisé dans la technologie des semi-conducteurs :
- Un champ de rupture critique plus élevé, ce qui signifie qu'une tension nominale peut être maintenue tout en réduisant l'épaisseur du dispositif
- Une bande interdite plus large, ce qui permet de réduire le courant de fuite à des températures relativement élevées
- Une conductivité thermique plus élevée, qui prend en charge une densité de courant plus importante
- Une réduction globale des pertes d'énergie.
L'utilisation du carbure de silicium à la place du silicium dans les MOSFET permet également :
- Une réduction des pertes de commutation, qui ont un impact sur les pertes qui se produisent lorsque le MOSFET passe du blocage à la conduction (et vice versa)
- Des fréquences de commutation plus élevées, ce qui permet d'utiliser des composants périphériques plus petits (filtres, inductances, condensateurs, transformateurs, etc.
- Augmentation de la résistance au claquage critique, environ 10x ce qui est possible avec le Si
- Une température de fonctionnement plus élevée, ce qui simplifie les mécanismes de refroidissement (par exemple, les dissipateurs de chaleur).
Comparés à leurs homologues en carbure de silicium, les MOSFET en carbure de silicium offrent de meilleures performances globales, un meilleur rendement, des fréquences de commutation plus élevées et des composants plus compacts.
- De plus en plus d'ingénieurs se tournent vers les MOSFET en carbure de silicium et profitent des propriétés supérieures qu'ils offrent.
Propriétés du carbure de silicium (SiC) pour l'électronique de puissance
Le large éventail d'utilisations du SiC, également connu sous le nom de "carborundum", est la conséquence des propriétés physiques extraordinaires de ce matériau.
Le SiC est une combinaison de silicium et de carbone dans une structure cristalline, et il peut prendre environ 250 formes cristallines différentes.
- Les grains individuels de SiC, par exemple, peuvent être frittés ensemble pour construire des céramiques solides, tandis que les fibres de SiC peuvent être utilisées avec des polymères pour former un matériau composite.
- Enfin, de grands cristaux individuels de SiC peuvent être cultivés pour être utilisés dans des applications de semi-conducteurs.
Les avantages des dispositifs en carbure de silicium (SiC) pour l'électronique de puissance reposent sur les avantages fondamentaux du matériau, à savoir un champ de claquage et une conductivité thermique élevés, et plus de 25 ans de développement soutenu des matériaux et des dispositifs ont permis d'atteindre un point de basculement.
Bien que le silicium soit actuellement le semi-conducteur le plus utilisé en électronique, il commence à montrer certaines limites, en particulier dans les applications à haute puissance.
- C'est là que le SiC entre en jeu en tant que remplaçant potentiel du silicium.
En effet, c'est la large bande interdite (ou écart énergétique) du matériau qui permet aux dispositifs SiC de supporter des températures beaucoup plus élevées que celles du silicium ordinaire, même supérieures à 200 °C, ce qui le rend adapté aux applications à haute puissance.
- Lorsque la bande interdite d'un matériau est élevée, les composants électroniques peuvent être plus petits, fonctionner plus rapidement et être plus fiables.
- Une large bande interdite permet également aux applications de fonctionner à des températures, des tensions et des fréquences plus élevées que les autres semi-conducteurs.
Ces propriétés ont conduit à une transformation radicale de l'électronique de puissance au cours des dernières années, avec le développement de nouveaux dispositifs de puissance à base de SiC.
Voici quelques-unes des propriétés extraordinaires du SiC dans le contexte de l'électronique de puissance :
- Une conductivité thermique élevée
- Faible dilatation thermique
- Résistance élevée aux chocs thermiques
- Rendement énergétique élevé
- Température de fonctionnement élevée
- Faibles pertes de puissance et de commutation
- Taille réduite de la matrice
- Durabilité élevée pour les applications à longue durée de vie
Quelques applications en électronique de puissance
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Applications typiques :
- Circuits de protection contre les surintensités
- Onduleurs DC/DC
- Chargement des véhicules électriques (EV)
- Onduleurs photovoltaïques (PV)
- Convertisseurs de puissance
- Entraînements de moteurs industriels
- Alimentations à découpage
- Alimentations industrielles
- Modules de correction du facteur de puissance
- Alimentations à découpage
- Alimentation des télécommunications et des serveurs
- Chauffage par induction
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Exemple : Utilisation du SiC pour ses propriétés thermiques
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La Porsche Carrera GT, sortie en 2004 est l'un des premiers produits finaux à utiliser la technologie SiC : En effet, la grande résistance aux hautes températures est nécessaire.
- Les freins en carbone-céramique nécessitent de monter en température très haut et très vite pour fonctionner, d'où la nécessité de matériaux SiC, plus résistants que les autres technologies à la chaleur
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1La méthode Lely : Egalement connue sous le nom de procédé Lely ou technique Lely, est une technologie de croissance cristalline utilisée pour produire des cristaux de carbure de silicium pour l'industrie des semi-conducteurs.
Remerciements à :
- Electric Car by Mello from Noun Project
- Industrial robot by iconcheese from Noun Project
- Renewable energy by Vectors Point from Noun Project
- Power supply by Yogi Aprelliyanto from Noun Project
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