Contribution à la conception des dispositifs de puissance en carbure de silicium : étude et extraction des paramètres

par Tarek Ben Salah

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Hervé Morel et de Kamel Besbes.

Soutenue en 2007

à Villeurbanne, INSA en cotutelle avec Faculté des Sciences de Monastir (Tunisie) .


  • Résumé

    Aujourd'hui le carbure de silicium, SiC, est un matériau qui permet le développement de nouveaux composants de puissance. Le SiC est un semi-conducteur à grand gap, qui permet notamment de fabriquer des composants haute tension ou haute température. Des diodes PiN ayant des tenues en tension allant jusqu'à 5kV ont déjà développés au CEGELY. Ce travail de thèse entre dans le cadre de la modélisation et la caractérisation des diodes 4H en carbure de silicium ont été abordées notamment avec des outils de simulation numérique de type éléments finis. Ce modèle a été appliqué par la suite à la simulation des différents circuits de mesures excitant un comportement spécifique de la diode. Le circuit de DMTVCA (Depletion Mode Transient Voltage and Current Analyse) permet de ne pas se placer en forte injection. Il permet d'extraire le dopage et l'épaisseur de la couche faiblement dopée tenant la tension et la surface de la zone active. Le circuit d'OCVD (Open Circuit Voltage Decay) permet de solliciter la diode en forte injection sans passer par une phase complexe de recouvrement inverse. Il permet d'extraire la durée de vie ambipolaire. Enfin la cellule de commutation inductive ou résistive permet de valider dans un contexte de commutation plus réaliste la modélisation et les paramètres extraits. Cela a permis de mettre au point une procédure d'extraction des paramètres de conception des diodes PIN en SiC. Enfin, Pour caractériser le comportement optimal de la diode PiN, nous avons développé une analyse expérimentale, dans le circuit de DMTVCA, de la condition de percement: traversante (Punch-Through) ou non traversante (Non-Punch-Through).

  • Titre traduit

    Contribution to silicon carbide power device design : study and extraction of design parameters


  • Résumé

    Superior properties for power devices, compared to silicon. The characterization of high voltage SiC devices is requires in the development of these devices. However the transient measurement is not very easy because of the influence of numerous parasitic elements. A new experimental set-up is developed and validated to characterize high voltage diodes in switch transient regime. The experimental set-up enable to measure nice current and voltage transient characteristics, i. E. Without noise and high parasitic wiring influence. PiN diodes are fabricated with many trade-offs balance physical constraints. In particular the doping concentration, Nd, the width of the low doped base region, Wd, and the effective area of the device, A, define the reverse breakdown voltage of the PiN diode and the resistance of the diode epitaxial layer under forward bias and the ambipolar lifetime tau. It is difficult to obtain these parameters directly from the manufacturer. Moreover, device reverse-engineering remains a delicate and destructive task while engineers are more interest in a non-destructive extraction method of design parameters. This physics-based approach focuses on isolating the ambipolar lifetime from Wb, Nd and A parameters during transient behaviour. Therefore, this allows users the flexibility to extract parameters by minimizing the error between experimental and simulation data. The algorithm is based from DMTVCA and OCVD techniques are validated in a buck converters on a resistive load. A good agreement between experimental and simulation data is obtained.

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Informations

  • Détails : 1 vol. ([174] p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 158-164

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3184)
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