Composants semi-conducteurs de puissance La réduction …sfp.in2p3.fr/expo/EPI10/Pezzani.pdf · La technologie Semi-conducteur -> l’évolution composant -> ... •Potentialité

24/10/06 1STMicroelectronics

Composants semiComposants semi--conducteurs de puissanceconducteurs de puissance

La réduction des pertes conduit leur évolutionLa réduction des pertes conduit leur évolution

10èmes ENTRETIENS PHYSIQUE10èmes ENTRETIENS PHYSIQUE--INDUSTRIEINDUSTRIE

Robert Robert PezzaniPezzani


croissance de la croissance de la demandedemande énergétiqueénergétiquecroissancecroissance +60% +60%

Global VAST Opportunity Global VAST Opportunity US$16 Trillion Investment on Global Energy System US$16 Trillion Investment on Global Energy System ((énergies propres & efficacité énergétique)énergies propres & efficacité énergétique)

impact sur l’environnementimpact sur l’environnement rrééchauffement de la planchauffement de la planèète, changement climatiquete, changement climatique

Les 25 prochaines années…..Les 25 prochaines années…..


Impact du CO Impact du CO 22 rrééchauffement de la planchauffement de la planèète ,te ,

Un des objectifs Un des objectifs mieux utiliser lmieux utiliser l’é’énergienergie……..


Scenario pour l’électronique de puissance:

Les économies d’énergie, l’efficacité énergétique,pilotent l’évolution

des composants de puissance


On On résumerésume fréquemment fréquemment l’évolutionl’évolution de de l’électroniquel’électronique par la par la loiloi de Moorede Moore

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1.E+08

1.E+09

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

YEAR

Transistors 1M

4M16M

64M256M 512M

80084004

80808086

286386

486Pentium

Pentium IIPentium III

Pentium 4

1K4K

64K

256K

“la complexité des circuits intégrés s’accroît d’un facteur 2 chaque année pour les mémoires et 1.5 pour les circuits logiques”


Puissance: évolution par saut plutôt que par facteur d’échellePuissance: évolution par saut plutôt que par facteur d’échelle

130nm

90nm

65nm

45nm

32nm

Moore’s law

“power saving”technologySIP

BiCMOS

embeddedMEMS

rf CMOS+ passives

smart devices

Efficacité énergétique->Diversification-> complexité

miniaturization

130nm

90nm

65nm

45nm

32nm

Moore’s law

Powerelectronics SOC

Discrete

Heterogeneousintegration

More than Moore

More Moore

Silicon integration

Non Silicon technology


Une problématique multi dimensionsUne problématique multi dimensions

Système & Application

Composant

Semi conducteur

Technologie

Semi conducteur


Deux mondes contrastés…Deux mondes contrastés…

• Circuits intégrés , Mémoires La technologie Semi-conducteur -> l’évolution composant -> l’évolution système

• Composant de Puissance L’évolution Système -> l’évolution composant -> sa technologie

Technologie

Semi-conducteurs

Composant

Application finale

(Système)

Technologie

Semi-conducteurs

Composant

Application finale

(Système)

Référentiel; loi de Moore Référentiel; le système


Evolution of Power devices: by “jumps” more than by scaling

Deg

ree

of in

novat

ion

BJT

MOSFET

SiC

20152005

new edgestructure

strip

MD

Advanced MD

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1970 1980 1990 2000 2010

Example le “transistor”


Low voltage Power MOSFETs


une amélioration CONTINUE des performancesune amélioration CONTINUE des performances

FOM Ron*Qg @4.5V[mΩ*nC]

EHD3

SP3

FOM Ron*Qg @10V[mΩ*nC]

EHD3

SP3

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Year

50

60

70

80

90

100

110

120

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Year

AlCu

TEOS

POLY W-plug

source

bodyEnrich.

Nitride/PETEOS spacer

X-SEM of micro-trench structure

Chemical map (TEM/EDX) of micro-trench

TiSi2

MicroMicro--tranchéestranchées


70

72

74

76

78

80

82

84

86

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Current [A]

efficiency [%]

SPIII MOSFETs improve CPU Power

Supply efficiency

SP III & EHD III SP III & EHD III

Previous generationPrevious generation

single-phase 700KHz buck converter

Efficienc

y

compari

son

Application “Portable”


MOSFET haute tension: Le recours à la « Super Jonction »

Super-jonctionStandard MOSFET

10

100

1000

100 1000Breakdown Voltage [V]

Ron Area [m

ΩΩ ΩΩcm

2]

Planar PowerMOSFETs

MD1

MD2

Advanced

MD

Siliconideal limit


0

10

20

30

40

50

60

70

80

2001 2004 2006 2008 2009

RonArea(mOhm*cm2 )

Year

Évolution de la technologie super jonction (MDMESH)


La Diode composant limitant l’évolution de performance des systLa Diode composant limitant l’évolution de performance des systèmesèmes

• Le problème est dû à l’architecture Bipolaire des diodes Elle augmente les pertes des systèmes par les sur-courants de commutation qu’elle génère• Dans elle même• Dans les commutateurs associés

Recherche de diode sans perte de commutation• Utilisation de diodes schottky mais limitées à 200V sur Silicium• Problématique en plus haute tension

TRANSISTOR CONDUCTIONDIODE CONDUCTION

400VPWM VT

VDIL IDIT IRM

VOUT

IL

IRM

TRANSISTOR

DIODE

IL

IL+IRM

VOUT

High dI/dt

IT

V T

ID

VDQ RR

EON(T)

EOFF(D)

IL = ID + IT = cte

(during switching times)


trr SiC << trr Si

Qrr SiC << Qrr Si

Vf SiC << Vf Si

STTA806

STTH8R06

STTH806TTI

SiC

VR= 400V ; IF= 8A ; Tj= 125°C di/dt= 200A/µs

0

2A/Div , 20ns/Div STTA806

STTH8R06

STTH806TTI

SiC


0

2A/Div , 20ns/Div STTA806

STTH8R06

STTH806TTI

SiC


0

2A/Div , 20ns/Div

Comparaison de diodes 600 V

Back contact

Schottky Contact

Thick metalVapox

n-type SiC epitazial layer

th=6µm, Nd= 1E16 cm -3

4H-SiC substrate ~400 µm

ρ= 0.021 Ωcm, n-type

n-type buffer layer Nd =1.5E18 cm-3

p-implanted ring

Back contact

Schottky Contact

Thick metalVapox

n-type SiC epitaxial layer

4H-SiC substrate

n-type

n-type buffer layer

p-implanted ring


0%

5%

10%

15%

20%

25%

1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03

counts

0%

5%

10%

15%

20%

1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

counts

Average = 1.73 V

σ = 0.03 V

Forward Voltage distribution (V) @ 4 A

Leakage Current distribution (A) @ 600 V

SiC Schottky Diodeon 2” 4H-SiC wafer

0

1

2

3

4

5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Voltage (V)

Current (A)

Von @ 100mA = 0.8 V

Vf @ 4A = 1.82 V

Ron = 247 mΩ

0

1

2

3

4

5

6

0 200 400 600 800 1000Voltage (V)

Current (mA)

Vbr = 955 V

Forward Reverse


87.3

87.4

87.5

87.6

87.7

87.8

87.9

88

88.1

88.2

88.3

88.4

88.5

88.6

88.7

88.8

88.9

89

89.1

89.2

50 75 100 125 150 175Tj (°C)

efficiency%

Sic6A

GaN6A

Sic4A

STTH806TTI

STTH8R06

PFC Pout=500W Vin=90V dI/dt=500A/µs F=100kHz

Efficacité en fonction de la température jonction Tj

Le Le SiCSiC n’est pas le seul candidat……. Le n’est pas le seul candidat……. Le GaNGaN

Schottky contact

Ni/Au

Ohmic contact

Ti/Al/Ni/Aun- GaN

n+ GaN

Isolant

Diode sur GaN


Économie d’énergie électrique dans les « Convertisseurs »Alimentations Industrielles, Télécommunications, PC, TV, etc…

220V

5V

Pont deDiodes

Primaire SecondaireTransfoFiltreCircuit

Correcteur PFC

IMPACTS DES COMPOSANTS SUR UN SYSTEME


Économie d’énergie électrique dans les « Convertisseurs »Alimentations Industrielles, Télécommunications, PC, TV, etc…

220V 5V

Pont deDiodes

Primaire SecondaireTransfoFiltreCircuit

Correcteur PFC

STIL1% de gain

1 TWH/an

SiC

2% de gain 2 TWH/an

TMBS etAvalanche3% de gain 3 TWH/an

Potentiel d’économie de 6TWh/an

oxideoxide

SiSi

POLY POLY SiSi

ooxxiiddee

SiSi

BARRIERE SCHOTTKYBARRIERE SCHOTTKY

0

1

2

3

4

5

6

7

U-FAST TANDEM SiC

pt1

I

+

I

OUT

driver

- +

Bridge

pt2

Inrush resistor

Auxiliary Power

I

AC in


La puissance concerne aussi notre vie quotidienneLa puissance concerne aussi notre vie quotidienne

Exemples

- Composants pour la récupération d’énergie des PDP

- interrupteurs statiques solides pour réseaux alternatifs 220V (ACS)

Les améliorations sur les composants et se traduisant en économie d’énergie, jugées sur les ventes composants du centre de Tours en 2005 correspondent à la consommation électrique annuelle d’une ville de 85.000 habitants


~ 20% de gain en énergie

Design for Energy EfficiencyDesign for Energy Efficiency

THERMOSTAT

ST62/ST7 MCU

ACS

Demain : électronique

• La température du

compartiment varie de +/- 1°C

• Plus de pertes dans le

démarreur

• La puissance consommée

devient 28W

Aujourd’hui: mécanique

• La température du compartiment

varie de +/- 3°C

• 2W de perte dans le démarreur

• La puissance consommée est de

35W


LES GAINS D’ENERGIE POUR LE REFRIGERATEURLES GAINS D’ENERGIE POUR LE REFRIGERATEUR

• Meilleure conservation de la nourriture Température plus stable

• Gain en énergie de 8.6W en fonctionnement 2W dans le démarreur

7W dans le compresseur

0.4W de perte dans le contrôle électronique

• Un réfrigérateur économisera 37kWh par an


Impact Impact sursur l’environnementl’environnement

• A l’échelle de l’Europe, Au moins 170 millions de réfrigérateurs sont installés

…….le gain serait de 7.82TWh par an

soit environ une centrale nucléaire (une centrale de 1GW produit par an 8.75TWh)

Équivalent de 100 000 voitures parcourant 30 000km/an

Économisant 4 800 000 tonnes de rejet CO2


ST’s Green DirectionsST’s Green Directions

Energy Efficiency Improvement

Renewable Energy

Fuel CellsMicro Batteries

- Motor Control (HA, Ebike, Industrial,…)- Lighting- External Power Supply- Standby Power, PFC.

- Solar Energy (PV + Power System)-Wind Energy-Hybrid Vehicle


Les systèmes autonomes ont d’autres exigencesLes systèmes autonomes ont d’autres exigences

• La miniaturisations a développé la mobilité, donc un besoin accrue de source d’énergie autonome; la disponibilité de cette source est facteur de limitation de développement des systèmes

• D’où de nouvelles opportunités de développer de nouveaux ”composants de puissance = sources d’énergie”

• Potentialité d’utiliser et développer des technologies de semi conducteurs

à d’autres finalités que les semi-conducteurs

Enrichissant la panoplies des fonctions au services de l’énergies

Un des exemple étant les piles photovoltaïques

Il y en a d’autres…


Copyright : Sciences et Vie

Design: NEXT CHALLENGESDesign: NEXT CHALLENGESNew energy sources: Micro fuel cellNew energy sources: Micro fuel cell


• Les technologies sur Silicium permettent d’envisager des produits de quelques watts appropriés aux équipements portables Solution offrant une alternatives aux demandes d’autonomie des équipements multimédia de 3ème génération

Source d’énergie

Chargement par cartouche

• Utilisation des techniques de Micro usinage pour la génération d’électricité fournie par la réaction chimique

• Collaboration avec CEA/Liten dans le cadre d’un consortium avec BIC.

H2fuel cell silicon structure

electrolyte

silicon

Current collector

insulator

Catalyst support

Catalyst

Air

Hydrogen

electrolyteelectrolyte

silicon

Current collector

insulator

Catalyst support

Catalyst

Air

Hydrogen


Design: NEXT CHALLENGESDesign: NEXT CHALLENGESNew energy sources: Micro BatteriesNew energy sources: Micro Batteries


Concept Concept basébasé sursur uneune architecture architecture “Wireless sensor network““Wireless sensor network“

SERVER

Inter Communication RFLow datas rate

Réseau de Nœuds autonomes

Noeud

Noeud

Noeud

Noeud

Noeud

NoeudNoeud


Générer un environnement intelligent où la technologie s’intègreGénérer un environnement intelligent où la technologie s’intègre

Prenant en compte différentes problématiques sociétales

Smart buildings

- présences

- températures

- éclairages

Aide aux individus

Surveillance des infrastructures

Surveillance incendie

Agricultures

Médical

Surveillance d’un champ de bataille

Actives RDID


Node for Embedded sensors networkNode for Embedded sensors network

Power

Management

µbattery

µ Controller

& memories

Energy harvesting- Photonic- Thermal- Mechanical- chemical….

Wireless communication

- zigbee

- UWB

Passives integration

& Antenna

ENERGIE


ConclusionsConclusions

L’évolution des civilisations a été modelée par son accès à l’énergie et cette dépendance ne fait que s’amplifier

Mission des composants de puissance

Une utilisation optimisée de l’énergie dicte l’évolution des composants de puissance entraînant:

des sauts technologiques spécifiques (nouveaux matériaux…)

Des nouvelles architectures composants

Plus d’électroniques

L’extension des “technologies semi conducteurs” à de nouvelles fonctions


Merci…

Documents

Composants semi-conducteurs de puissance La réduction …sfp.in2p3.fr/expo/EPI10/Pezzani.pdf · La technologie Semi-conducteur -> l’évolution composant -> ... •Potentialité