Les caractéristiques du carbure de silicium

Conductivité thermique

La conductivité thermique est une mesure de la facilité avec laquelle la chaleur est transférée à travers un matériau. Il s'agit d'une propriété clé des semi-conducteurs, car elle indique dans quelle mesure un matériau est capable de dissiper efficacement la chaleur (accumulation de chaleur due à une puissance accrue due à une augmentation du courant), augmentant ainsi ses capacités de tension et de courant.

La conductivité thermique du silicium est de 130 W/(m⋅K), ce qui est nettement inférieur à celle du carbure de silicium (490 W/(m⋅K), permettant aux semi-conducteurs en carbure de silicium de dissiper la chaleur plus efficacement et de résister à des tensions de fonctionnement plus élevées.

Dilatation thermique

La dilatation thermique se produit lorsqu'un matériau change de forme ou de taille – mais ne change pas de phase – en raison d'un changement de température, par exemple d'un liquide à un gaz. Un exemple courant consiste à appliquer de l’eau chaude sur un bouchon de bouteille coincé pour lui permettre de gonfler et de faciliter son ouverture.

Le carbure de silicium a un très faible coefficient de dilatation thermique, ce qui signifie qu'il conserve mieux sa forme, sa résistance et ses performances à des températures élevées (et à des tensions élevées), ce que le silicium n'est peut-être pas capable de faire.

Intensité du champ électrique

Deux autres propriétés clés et pertinentes des semi-conducteurs sont la bande interdite du matériau et l’intensité maximale du champ électrique.

Dans une molécule de matériau semi-conducteur, les électrons se déplacent entre différentes bandes : la zone qu'ils doivent occuper car il n'y a pas d'état énergétique entre les bandes. La bande interdite (ou écart énergétique) est l’énergie nécessaire à un électron pour effectuer la transition de la bande de valence à la bande de conduction, permettant ainsi la conduite de l’électricité. Lorsque les semi-conducteurs reçoivent de l’énergie électrique et entrent dans cet état conducteur, ils présentent des propriétés hybrides isolant/conducteur uniques.

Les semi-conducteurs en carbure de silicium ont un écart énergétique trois fois plus élevé que les semi-conducteurs à base de silicium, ce qui leur permet de résister à des intensités de champ électrique plus élevées que le silicium, leur permettant ainsi de fonctionner à des tensions et des températures plus élevées.

Les semi-conducteurs en carbure de silicium ont un grand écart énergétique et peuvent mieux résister et dissiper la chaleur que les semi-conducteurs à base de silicium. Ils présentent également d’autres avantages :

L'écart énergétique élevé du carbure de silicium est très utile dans les applications à haute puissance, car l'écart énergétique plus élevé permet des dispositifs semi-conducteurs plus petits avec des performances opérationnelles plus élevées.

Pour les diodes, un type courant de dispositif semi-conducteur, la tension de claquage est la tension à laquelle un courant appliqué inversé peut traverser la diode. La tension de claquage élevée du carbure de silicium le rend idéal pour les MOSFET.

Cela conduit à une autre caractéristique importante des semi-conducteurs dans les MOSFET : le temps de récupération inverse. Si le MOSFET passe dans un état de polarisation inverse, le temps nécessaire pour revenir à l'état normal est appelé temps de récupération inverse. Pendant ce temps, le courant peut circuler dans la direction opposée et le système subit une perte d’énergie. Dans ces cas, les dispositifs SiC ont des temps de récupération inverse extrêmement rapides et des pertes d'énergie négligeables, ce qui n'est pas le cas des dispositifs Si.

Le carbure de silicium est plus souple que le silicium en termes de dopage (ajout d'impuretés). Il peut être personnalisé pour conduire l'électricité uniquement dans des conditions spécifiques, telles que la lumière soumise à une intensité spécifique (infrarouge, visible ou ultraviolet), ce qui rend les semi-conducteurs en carbure de silicium plus polyvalents.