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Les semi-conducteurs en carbure de silicium : un progrès dans les technologies futures

Par Alexander Vogel, Product Manager composants actifs et discrets chez reichelt elektronik

Publication: 7 octobre

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Une technologie relativement nouvelle dans le domaine de l’électronique de puissance, qui promet une amélioration significative : les semi-conducteurs en carbure de silicium...
 

Qu’il s’agisse de la mobilité électronique, de la production d’énergie renouvelable ou des infrastructures informatiques, toutes ces technologies d’avenir ont un défi majeur en commun : les exigences en matière de coûts, d’effort et de poids des composants doivent être de les maintenir à un faible niveau tout en garantissant une efficacité et une qualité de produit élevées.

Le carbure de silicium remplace les semi-conducteurs élémentaires

Les semi-conducteurs sous forme de microprocesseurs, microcontrôleurs, IGBT, cellules solaires et diodes électroluminescentes et de nombreux autres composants, sont utilisés dans pratiquement tous les domaines de l’industrie. En conséquence, les ventes dans l’industrie des semi-conducteurs ont augmenté régulièrement ces dernières années, avec un volume de ventes mondiales prévu de 433,00 milliards de dollars US en 2020.

Jusqu’à présent, les principaux matériaux de production utilisés dans ce secteur ont été le silicium et le germanium. Cependant, la poursuite du développement dans les technologies innovantes est, aujourd’hui, limitée en raison des pertes de chaleur et de la vitesse de commutation constatées sur les semi-conducteurs classiques. Afin de construire des produits encore plus légers et peu encombrants, tout en augmentant leur performance, des matériaux appropriés sont nécessaires pour soutenir ces progrès. L’utilisation du carbure de silicium comme base innovante est la prochaine étape logique de cette évolution.

Une efficacité accrue pour les technologies du futur

Quel que soit les domaines d’application, les semi-conducteurs en carbure de silicium augmentent l’efficacité des composants et des systèmes dans lesquels ils sont introduits bien plus que les semi-conducteurs classiques. En effet, les industriels enregistrent des pertes d’énergie sous forme de chaleur qui sont nettement moins importantes, ainsi qu’une meilleure performance de commutation et par conséquent moins d’énergie nécessaire au moment de l’allumage et de l’extinction grâce à une charge inverse plus faible.

Outre l’efficacité accrue, la réduction des pertes de chaleur apporte un autre avantage : cette forte densité de puissance signifie que moins de composants sont utilisés pour obtenir les mêmes performances qu’avec d’autres semi-conducteurs, ce qui permet de gagner un espace précieux. S’il faut tenir compte du poids plus faible des dissipateurs thermiques, dans certaines applications, il est même possible de renoncer au refroidissement actif à l’aide de ventilateurs. Dans le domaine de l’e-mobilité, par exemple, il est ainsi possible d’optimiser un facteur central qui a jusqu’à présent dissuadé les consommateurs d’acheter un véhicule électrique : l’autonomie. Ici, chaque gramme supplémentaire de poids est crucial.

De plus, le carbure de silicium se caractérise par une grande résistance aux contraintes garantissant que la technologie puisse être utilisée à des températures de fonctionnement plus élevées : idéale pour une utilisation dans la technologie photovoltaïque et par extension dans les énergies renouvelables. Ici, les composants en carbure de silicium permettent également des rendements plus élevés pour les producteurs d’énergie, car les pertes, par exemple par commutation, sont minimisées, ainsi même les datacenters deviennent plus efficaces et plus puissants grâce à ce semi-conducteur composé de silicium et de carbone.

Compte tenu de la tendance continue vers les applications IoT et AI, ainsi que la migration vers le cloud, il sera de plus en plus important d’améliorer l’efficacité de l’exploitation des infrastructures informatiques à forte intensité énergétique.

Intensité des coûts de la technologie

Malgré les propriétés positives qui pourraient faire progresser le développement des technologies futures, les semi-conducteurs en carbure de silicium sont encore beaucoup moins courants que les semi-conducteurs élémentaires. La raison reste le facteur coût. Ces semi-conducteurs sont encore produits en quantités relativement faibles, rendant les composants plus coûteux que les semi-conducteurs classiques en silicium ou en germanium. Le processus de fabrication du matériau est également complexe. Lors de la production, des atomes de carbone sont introduits dans la structure moléculaire du silicium cristallin, contrairement aux semi-conducteurs en silicium pur, créant ainsi la liaison puissante et résistante du matériau.

Grâce à cette augmentation de l’efficacité des semi-conducteurs en carbure de silicium pour l’électronique de puissance, le carbure de silicium semble être le moteur du progrès technologique dans un large éventail d’industries prometteuses. Les industriels ne s’y trompent pas et certains fabricants de renom ont déjà investi des milliards dans de nouvelles lignes de production afin de produire des composants en carbure de silicium à plus grande échelle. On peut donc s’attendre à une réduction très intéressante des coûts dans les années à venir, avec un matériau qui s’impose de plus en plus dans l’électronique des semi-conducteurs.

http://www.reichelt.com/

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