Modélisation électrothermique de transistors MESFET SiC et ...

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Chapitre I LES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE A L’ETAT SOLIDE (SSPA) II. Le Transistor MESFET en Carbure de Silicium L’industrie des technologies hyperfréquence travaille depuis de nombreuses années avec le transistor MESFET (MEtal Semi Conductor Field Effect Tranistor). Celui-ci était jusqu’à présent réalisé principalement en Arséniure de Gallium. Le Silicium comme l’Arséniure de Gallium et d’autres matériaux sont utilisés beaucoup trop près de leurs limites physiques, en particulier au niveau de la densité de puissance fournie. Les semi-conducteurs grand gap ont alors suscité un intérêt important. Les propriétés physiques et électriques, que leur confère leur largeur de bande interdite, sont très intéressantes pour un grand nombre d’applications de fortes puissances et à très hautes températures. II.1 Propriétés Physiques du Carbure de Silicium Le Carbure de Silicium (SiC) fut reconnu dès le début des années 1960 pour ses qualités (champ électrique, vitesse de saturation et conductivité thermique). C’est un semi- conducteur à grande largeur de bande interdite ayant un gap compris entre 2.2 et 3.3eV selon son polytype (6H ou 4H). De plus, le SiC a un champ de claquage huit fois plus élevé et une conductivité thermique trois fois plus élevée que le Silicium, ce qui permet de fabriquer des composants pouvant supporter des tensions importantes ; ainsi le Carbure de Silicium présente des caractéristiques physiques très intéressantes pour des applications à hautes températures et à fortes puissances. Le Tableau I-1 présente les principales propriétés du Silicium (Si), de l’Arséniure de gallium (AsGa), de Nitrure de Gallium (GaN) et du Carbure de Silicium (SiC) pour une densité de donneurs Nd de 10 17 atomes/cm 3 . Gap Eg (eV) Champ de claquage (MV.cm -1 ) - 18 - Mobilité électronique µn (cm 2 .V -1 .s -1 ) Vitesse de saturation (cm.s -1 ) Conductivité Thermique (W.cm -1 .K -1 ) Si 1.12 0.25 800 1x10 7 1.5 AsGa 1.43 0.4 4900 1x10 7 0.54 GaN 3.4 3 1000 1.5x10 7 1.3 SiC 3.3 2.2 560 2x10 7 3.7 Tableau I-1 : Comparaison des propriétés du Si, de l’AsGa, du GaN et du SiC
Chapitre I LES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE A L’ETAT SOLIDE (SSPA) Les paramètres électroniques qui présentent le plus d’intérêt sont les caractéristiques de transport de charges (trous et électrons). Dans le domaine des faibles champs électriques, les porteurs libres sont en équilibre thermodynamique avec le réseau et leur vitesse moyenne est proportionnelle au champ électrique. En d’autres termes, la mobilité des porteurs est indépendante du champ électrique et la vitesse de dérive s’écrit simplement : r r V= ± μ0E (I.16) qτ 0 m avec μ = τ : temps de relaxation et m * * : masse effective La vitesse de dérive des porteurs présente une valeur maximale Vsat obtenue pour une valeur critique du champ électrique notée Ec. La valeur du champ électrique, pour laquelle se produit la saturation de la vitesse de dérive, est très importante puisqu’elle traduit les phénomènes d’accélération des porteurs jusqu’au régime de saturation. La vitesse de saturation pour les semi-conducteurs à grand gap est considérablement plus élevée que celle du silicium ou de l’arséniure de gallium. Ce qui permet d’obtenir de forts courants DC et RF pour les transistors MESFETs SiC. Lorsque le champ électrique devient important, les interactions des porteurs avec les vibrations du réseau entraînent une diminution de la mobilité des porteurs. Cette diminution de la mobilité se traduit par une variation non linéaire de la vitesse de dérive des porteurs : r r V= ± μ( E)E . (I.17) avec μ ( E) μ 0 = E 1+ Vsat - 19 - (I.18) La mobilité des électrons (μn) et des trous (μp) sont des paramètres physiques prépondérants pour les dispositifs microondes. En particulier, ils influent sur les performances RF, la transconductance (Gm) et le gain en puissance des transistors MESFETs de puissance. Le champ électrique critique et la conductivité thermique sont les paramètres physiques d’un semi-conducteur qui fixent les performances en terme de puissance maximum d’un composant actif. De plus, le champ électrique d’avalanche fixe la limite fondamentale de fonctionnement d’un composant de puissance.
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