Conception, réalisation et caractérisation d'interrupteurs (thyristors et JFETs) haute tension (5kV) en carbure de silicium

par Pierre Brosselard

Thèse de doctorat en Génie Electrique

Sous la direction de Dominique Planson.


  • Résumé

    L'électronique impulsionnelle a connu de grandes évolutions en terme de commutateurs depuis le début des années 70. Jadis, ils étaient de type mécanique ou à gaz et avec l'avancée de la microélectronique, ils sont à base de matériaux semi-conducteurs. En terme de performances, les dispositifs à semi-conducteur en silicium sont satisfaisants mais connaissent des limites en terme de rapidité, température de travail et d'encombrement. Elles sont dues aux caractéristiques physiques du matériau. Le CEGELY conçoit, réalise et caractérise des composants de puissance en carbure de silicium depuis une dizaine d'année. Le premier dispositif fabriqué au CEGELY avec différentes collaborations a montré l'intérêt du SiC pour l'électronique de puissance. Aujourd'hui les performances s'améliorent d'année en année grâce aux travaux de plusieurs équipes de chercheurs dans le monde. Le travail réalisé au cours de cette thèse repose sur la réalisation de démonstrateurs de type thyristor et JFET. Les caractéristiques électriques souhaitées sont une tenue en tension de 5 kV et un calibre en courant le plus élevé possible. Un transistor de type JFET a été conçu. Sa réalisation repose sur la maîtrise d'une nouvelle technologie, la reprise d'épitaxie sur surface non plane. Les résultats électriques ne sont pas ceux attendus mais l'élaboration du JFET a permis de montrer les faiblesses de quelques étapes technologiques et une nouvelle structure JFET est proposée. En parallèle, une structure thyristor à électrodes co-planaires a été développée. Pour son élaboration, un premier travail d'optimisation de la gravure et de la métallisation a débuté. Les premiers résultats électriques du thyristor planar montrent une tenue en tension de 600 V. Un deuxième lot est au cours de fabrication et devrait se terminer très prochainement. Des thyristors à électrodes non co-planaires ont été caractérisés. Ils ont montré une tenue en tension de 4 kV et un courant de 1,3 A sous 13 V. Pour chaque résultat électrique, des simulations permettent de justifier d'un problème issu de la technologie ou non pris en compte lors de la conception. Les résultats électriques sont en nette progression mais sont légèrement en dessous de ceux attendus. Les travaux de thèse révèlent un travail important à faire sur la passivation de composants qui font l'objet d'une thèse débutée depuis un an.

  • Titre traduit

    = Design, Realization and Characterization of high voltage (5 kV) silicon carbide switches (thyristor and JFETs)


  • Résumé

    The silicon power devices know limits in term of speed, working temperature and volume. They are due to the intrinsic properties of material. In order to face these limits, CEGELY laboratory designs, realizes and characterizes power silicon carbide components for about ten years. The work carried out during this thesis is based on the realization of demonstrators of SiC thyristor and JFET, having a 5 kV breakdown voltage. An innovating structure of a JFET transistor was designed and realized. After characterization and in order to decrease the difficulties encountered in technology, a new design of JFET is proposed. Non-planar electrode thyristors were characterized. They showed a 4 kV breakover voltage and a forward current of 1. 3 A at 13 V. Finally, an innovative structure of coplanar electrode thyristor was developed and is now under construction.

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Informations

  • Détails : 166 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 157-166

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2855)
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