1. ANALYSE DES CARACTERISQUES I-V
DES JONCTIONS PN à base de SiC
S.Rachedi, K. Ghaffour
Unité de Recherches Matériaux et Energies Renouvelables
Département de Physique
Université Abou-Bekr Belkaïd
BP 119 Tlemcen.13000 - Algérie
: samiarachedi @yahoo.fr
- Mobilité des porteurs importantes.
Résumé : Aujourd’hui, nous vivons l’ère de la rapidité - Bonne résistance mécanique.
des applications technologiques dans différents - Bonne résistance aux rayonnements.
domaines. Cette rapidité de développement est liée à Le SiC peut résister à des champs électriques
l’efficacité et à la performance des composants importants or le taux de dopage maximum, pour
élaborés. Les semi-conducteurs à large gap sont les une tension de claquage donnée, est proportionnel au
plus adaptés aux applications de puissance et de haute carré du champ de claquage donc les dopages vont
pouvoir être multiplié par 100 par rapport au Si
température.
classique et les MOSFET (R canal faible) pourront
C’est le cas du carbure de Silicium SiC qui possède conduire de forts courants avec une faible perte de
plusieurs caractéristiques physiques très supérieures à puissance car R canal est inversement proportionnel au
celles du Silicium[5], caractéristiques qui lui ouvrent cube du champ électrique de claquage. De plus, grâce
des champs d’applications inaccessibles à ce dernier. à sa large bande interdite, le SiC peut travailler à de
Le développement des technologies SiC est hautes températures(>600°C) alors que les composants
aujourd’hui limité par un certain nombre de verrous en Si sont limités à 150°C.
technologiques difficiles à dépasser ou à contourner. Ainsi, ce matériau, grâce à ses propriétés, peut donc
Dans cette article, on a présenté une méthode travailler efficacement au sein d’environnements
analytique pour étudier le comportement électrique I-V hostiles.
d’une diode à base de carbure de Silicium (SiC). Remarque : Pour les composants en SiC, une
L’examen de ses caractéristiques électriques I-V température minimum est requise pour optimiser
permet d’extraire les principales paramètres qui la les performances si un faible courant de fuite est
caractérise, notamment, le courant de saturation, la demandé.
résistance série et le coefficient d’idéalité. L’analyse du
comportement thermique de la diode à basses et hautes 2.1 La cristallographie du matériau
températures a été présentée. Ce qui permet en effet, de Le SiC n’existe pas sous la forme d’un cristal simple
déduire l’énergie d’activation des impuretés ionisées mais sous la forme d’une famille de cristaux. Ces
dopantes dans le diode SiC. cristaux ne différent pas dans le nombre d’atomes de Si
Mots clés : SiC, caractéristiques I-V, facteur d’idéalité, et de C mais dans l’arrangement des couches
énergie d’activation. atomiques. Par exemple, le 6H-SiC signifie que ce
cristal est sous la forme hexagonale avec 6 couches Si-
1 INTRODUCTION C avant que la maille élémentaire se répète. Il existe
plus de 200 cristaux différents de SiC. De plus, les
Les caractérisations sont rarement effectuées sur le propriétés physiques du cristal dépendent de sa
dispositif fabriqué lui même à l’exception des contrôles structure cristallographique.
finaux de qualité mais le plus souvent sur les tranches Les deux formes cristallographiques les plus
témoins ou sur des dispositifs de test[6]. La communes sont les suivantes :
caractéristique I-V de la structure d’étude qui permet - Cubique.
de déterminer les valeurs de la résistance série et du -Hexagonal.
courant de fuite , ainsi que la nature du courant mis en
jeu dans la zone de charge d’espace [2]. 2.2 Fabrication de dispositifs
Jusqu'à présent, le SiC était utiliser uniquement pour la
2 CARACTERISTIQUES DU SIC fabrication de LED car sa large bande interdite lui
permet d’émettre dans le bleu.
Les caractéristiques du SiC sont les suivantes : a. Les diodes Schottky
- Large bande interdite. Des diodes de types Schottky et pn ont été
- Bonne conductivité et stabilité thermique. développées. Les tensions de claquage les plus
1

2. importantes actuellement sont de 4.5 kV pour les
diodes PN et de 1kV pour les diodes Schottky.
Diode SiC-6H
Les caractéristiques des diodes Schottky sur SiC sont -12
1xe
les suivantes :
-Métaux utilisés : Ti, Ni, Au, Pt, Pd -16
1xe
-Tension de seuil : 1 V à 1.5 V
-Courants de fuite : 10-10 A à 10-6 A -20
1xe
Ln(I)
-Température maximale d’utilisation : 700 °C
-Tension de claquage : > 1400 V -24
1xe
-Densité de courant (jonction polarisée en directe) :
jusqu'à 800 A/cm2 -28
1xe
Les caractéristiques des diodes PN sur SiC sont les
suivantes :
0 1 2 3 4 5
-Tension de seuil : 2.5 V à 2.6 V pour 6H-SiC et 2.8 V
pour le 4H-SiC Tension(V)
-Courants de fuite : 10-10 A à 10-4 A
Température maximale d’utilisation : 400 °C Fig 1 : Caractéristiques courant-tension des
Tension de claquage : qq kV jonctions pn à base de SiC
La différence entre les deux types de caractéristiques
(Si et SiC) réside au niveau de la tension de seuil qui
est plus élevée pour les diodes en SiC[7], voisine de
2,3 V. L’échelle logarithmique présente Trois régions,
pour chaque région on calcule les paramètres n , Is ,
Rs. Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau
ci-dessus ( Tab . 1):
Paramètres Valeurs
des Diode des
en SiC paramètres
n
(0<V<1) 14,53
(1<V<2.5) 5,02
(2.5<V<3.5) 26,86
2.3 Caractéristique IV des jonctions PN à base de
SiC
3,37×10-10
Pour les diodes à base de SiC, les caractéristiques I-V Is(A) 1,86×10-13
sont illustrées dans les figures suivantes [4] : 5,53×10-8
-5 Diode SiC-6H Rs(Ω) 1,73
3,0x10
-5
2,5x10
-5
2,0x10
Tab. 1 : Paramètres des jonctions PN à base de SiC
courant(A)
-5
1,5x10
3 INFLUENCE DE LA TEMPERATURE
-5
1,0x10
-6
La température est un paramètre important dans la
5,0x10
détermination du fonctionnement des dispositifs à
0,0 semi-conducteur. Dans le cas de la jonction PN le
courant de saturation est essentiellement dû aux
0 1 2 3 4 5
porteurs minoritaires générés par agitation thermique.
tension(V) Ce courant de saturation sera donc particulièrement
sensible à la température.
2

3. Son expression est donnée par :
-12
e-13
Eg
Is =kTme−
e-14
kT (1) e-15
e-16
avec m = 2 pour le germanium. e-17
e-18
m=1,5 pour le silicium. e-19
e-20
m=1,5 pour l’arsenic de gallium. e-21
e-22
Ln(I)
T=113K
e-23
e-24 T=143K
l’influence de la température sur les caractéristiques e-25
e-26
T=173K
T=203K
courant-tension des jonctions PN à base de SiC est e-27
e-28 T=243K
montrés par les résultats expérimentaux faites sur ces e-29
e-30 T=273K
jonctions. e-31
e
Les caractéristiques I-V, pour différentes valeurs de 0 1 2 3 4 5
températures sont présentées par les figures suivantes : tension(V)
Fig 2 : caractéristiques courant tension des jonctions
1,2x10
-3 PN à base de SiC en fonction de T. a) hautes
T=303K températures, b) basses températures.
-3
1,0x10 T=333K
T=363K
8,0x10
-4
T=393K On observe que les caractéristiques I-V en fonction de
T=423K la température ont une variation linéaire dans
courant(A)
-4
T=455K
6,0x10 l’intervalle 0<V<2V. Par contre pour V>2V cette
T=553K
-4 T=583K dernière à une variation exponentielle. Tel que pour les
4,0x10
faibles températures l’allure des I-V reste très faible
2,0x10
-4
puis, elle augmente avec la température, et le courant
de saturation augmente aussi avec la température. On
0,0
conclu de la courbe lnI(V) les paramètres suivants
0 1 2 3 4 5 illustrées dans le tab. 2
Tension(V)
-7
n
e-8 Diodes à (0<V<1)
e-9
e
-10
e-11
e-12
différents (1<V<2) IS(A) RS(Ω)
e-13
e-14 températures (2.5<V<3.5)
e-15
e-16
e-17 T=303K
6,1 1,44×10-14
e-18
e-19 T=333K 113K 6,83 2,47×10-14 3,33
e-20 14,98
Ln(I)
e-21
e-22
T=363K
1,86×10-12
T=393K
e-23
e-24 T=423K 14,55 8,44×10-13
e-25
e-26 T=455K 143 K 5,84 3,7×10-15 2,63
e-27 T=553K
e-28
e-29 T=583K
50,79 9,16×10-10
e-30
e-31
e-32
18,5 5,47×10-12
e 173 K 5,56 3,57
0 1 2 3 4 5 8,83×10-15
Tension(V) 30,32 9,3×10-10
19,6 1,87×10-11
1,4x10
-5 203 K 5,08 1,05×1014 1,88
-5 T=113K
24,53 1,9×10-9
1,2x10
T=143K 18,88 4,89×10-11
-5 T=173K
1,0x10
T=203K
243 K 6,01 2,5×10-13 1,89
-6 T=243K 36,36 3,67×10-8
courant(A)
8,0x10
T=273K
6,0x10
-6 19,8 1,005×10-10
-6
273 K 5,47 2,18×10-13 1,23
4,0x10
25,8 1,95×10-8
-6
2,0x10 14,59 3,37×10-10
0,0 303 K 5,02 1,86×10-13 1,73
0 1 2 3 4 5 26,86 5,53×10-8
tension(V) 13,88 5,03×10-9
333K 4,56 1,54×10-13 2,37
25,97 1,01×10-7
14,78 1,01×10-19
363 K 15,24 1,71×10-12 1,68
3

4. 31,49 2,45×10-7
17,24 3,58×10-9
393 K 7,14 5,62×10-11 2,26
29,85 1,83×10-7
-14
18,34 8,44×10-9 Ea=0.9eV
423 K 8,26 3,2×10-10 1,8 -16
31,74 3,28×10-7 -18
18,06 8,9×10-9 -20
453 K 9,73 1,9×10-9 2,99
Ln(Is)
-22
22,98 1,93×10-7 -24
28,66 2,25×10-7 -26
555 K 8,7 1,16×10-18 0,89
32,52 2,9×10-6
-28
0,22 1,8×10-11 -30
583 K 15,68 3,77×10-7 1,53 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4
41,23 9,44×10-6 1000/T(K )
-1
a)
Tab. 2 : Paramètres des jonctions PN à base de SiC -28
en fonction de T, à hautes et basses températures . Ea=0.11eV
-30
Ces paramètres calculés à partir des caractéristiques I- -32
V des diodes à jonctions PN rendent compte des
mécanismes de passage de courant à travers ces -34
ln(Is)
jonctions.
A partir des caractéristiques courant-tension en -36
polarisation directe en fonction de la température nous
traçons la caractéristique Ln(I) = f(V) et on observe -38
trois régions.
-40
Chaque région peut être modélisée par : 2 4 6 8 10 12 14
-1
1000/T(K )
I = I s exp( A × V ) (2)
le courant de saturation peut être modélisée par : -22
Ea=0.14eV
 E  -24
I s = I 0 exp − a  (3)
 kT  -26
Ln(Is)
Nous avons tracé la courbe Ln(Is) en fonction de -28
1000/T dans chaque régions présentée par ces figures
suivantes : -30
-32
2 4 6 8 10 12 14
-14
-1
Ea=0.37eV
1000/T(K )
-16
b)
-18
Fig 3 :Variation du courant de saturation I en
ln(Is)
-20
fonction de la température.
-22
a) hautes températures, b)basses températures.
-24
-26
1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4
-1
1000/T(K )
4

5. Dans la première zone, le courant varie linéairement 4 CONCLUSION
avec la tension. Elle peut donc être modélisée par
l’équation (2). Les énergies d’activation thermique du Dans cet article, nous avons présenté les
courant de saturation sont 0,37eV et 0,14eV, caractéristiques courant-tension expérimentales des
correspondant respectivement aux énergies diodes à jonctions PN en SiC et traduisant les
d’activations du Bore et du Phosphore pour les hautes mécanismes de passage de courant à travers ces
et basses températures. Cette valeur est inférieur à Eg/2, jonctions. Ainsi que nous avons traité les
ce qui confirme la non dépendance du courant en ni. caractéristiques courant-tension en fonction de la
Dans la deuxième zone, le courant de saturation est température dans le but de tracer le diagramme
activé par une énergie 0,9eV et 0,11eV, correspondant d’arréhunis pour déterminer les énergies d’activations.
respectivement aux énergies d’activations de l’Azote et Nous avons trouvé les facteurs d’idéalité différents de
du phosphore pour les hautes et basses températures. 1 et 2. Ceci est dû à la présence de défauts cristallins
Cette valeur est inférieur à Eg/2, ce qui confirme la non qui se trouvent dans les structures d’étude. Les facteurs
dépendance du courant en ni [4]. d’idéalité théoriques et expérimentaux sont très
différents, ceci est dû probablement aux défauts
cristallins dans ces structures. Pour identifier ces
6,0
défauts, il va falloir faire appel à d’autre méthodes de
5,5
caractérisations ( DLTS, DLOS, .etc...)
5,0
Coefficient d'idéalité n
4,5
4,0 BIBLIOGRAPHIE
3,5
3,0 [S. M. Sze.1981] « Physics of Semiconductor
2,5 Devices » Wiley and John & Sons , 2 nd édition. 831 p.
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Rs(Ω)
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d’Energie du α.SiC (6H) de Type n par la méthode de
1,5
l’Absorption Optique » Thèse de magister, Université
1,0 de Tlemcen.
100 150 200 250 300 350 400
T(K)
Fig 5 : Variation de la résistance série en
fonction de la température.
La figure 5 représente la résistance série en fonction de
la température. Elle augmente considérablement à
mesure que la température diminue, ce qui est dû au gel
des porteurs, en particulier au dessus de 200K.
5