composants semi-conducteurs de puissance la réduction …sfp.in2p3.fr/expo/epi10/pezzani.pdf · la...
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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
24/10/06 2STMicroelectronics
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…..
24/10/06 3STMicroelectronics
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……..
24/10/06 4STMicroelectronics
Scenario pour l’électronique de puissance:
Les économies d’énergie, l’efficacité énergétique,pilotent l’évolution
des composants de puissance
24/10/06 5STMicroelectronics
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”
24/10/06 6STMicroelectronics
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
24/10/06 7STMicroelectronics
Une problématique multi dimensionsUne problématique multi dimensions
Système & Application
Composant
Semi conducteur
Technologie
Semi conducteur
24/10/06 8STMicroelectronics
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
24/10/06 9STMicroelectronics
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”
24/10/06 10STMicroelectronics
Low voltage Power MOSFETs
24/10/06 11STMicroelectronics
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
24/10/06 12STMicroelectronics
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”
24/10/06 13STMicroelectronics
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
24/10/06 14STMicroelectronics
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)
24/10/06 15STMicroelectronics
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)
24/10/06 16STMicroelectronics
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
VR= 400V ; IF= 8A ; Tj= 125°C di/dt= 200A/µs
0
2A/Div , 20ns/Div STTA806
STTH8R06
STTH806TTI
SiC
VR= 400V ; IF= 8A ; Tj= 125°C di/dt= 200A/µs
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
24/10/06 17STMicroelectronics
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
24/10/06 18STMicroelectronics
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
24/10/06 19STMicroelectronics
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
24/10/06 20STMicroelectronics
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
24/10/06 21STMicroelectronics
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
24/10/06 22STMicroelectronics
~ 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
24/10/06 23STMicroelectronics
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
24/10/06 24STMicroelectronics
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
24/10/06 25STMicroelectronics
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
24/10/06 26STMicroelectronics
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…
24/10/06 27STMicroelectronics
Copyright : Sciences et Vie
Design: NEXT CHALLENGESDesign: NEXT CHALLENGESNew energy sources: Micro fuel cellNew energy sources: Micro fuel cell
24/10/06 28STMicroelectronics
• 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
24/10/06 29STMicroelectronics
Design: NEXT CHALLENGESDesign: NEXT CHALLENGESNew energy sources: Micro BatteriesNew energy sources: Micro Batteries
24/10/06 30STMicroelectronics
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
24/10/06 31STMicroelectronics
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
24/10/06 32STMicroelectronics
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
24/10/06 33STMicroelectronics
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
24/10/06 34STMicroelectronics
Merci…