La caractérisation en courant-tension

La caractérisation en courant-tension s’appuie sur deux caractéristiques d’entrée et de sortie respectivement: IDS-VDS et IDS-VGS. La caractéristique de sortie IDS-VDS

obtenue pour des valeurs de VGS fixes s’obtient en appliquant les tensions de drain VDS

positives pour différentes tensions de polarisation de grille VGS. Ce type de caractéristique nous permet d’observer le fonctionnement du composant point par point et d’estimer la résistance à l’état passant RDSON. La caractéristique de transfert (ou d’entrée) IDS-VGS obtenue pour des valeurs de tension de drain VDS fixes, représente la variation du courant de drain en fonction de la tension de commande de grille sous une polarisation drain source. Elle rend compte de la performance du contrôle du courant de drain par la grille et également permet d’estimer la tension de seuil VTH. Les courbes de la caractérisation en courant-tension sont obtenues par le banc de mesure en mode impulsionnel IVCAD développé par la société AMCAD Engineering. Comme représenté sur la Figure 2.1, la sonde de drain de référence AM222 peut fournir jusqu’à 120V en tension maximale ou 30A en courant maximal, la sonde de grille de référence AM211 fournit ±15V en tension et ±200mA en courant. La configuration des chronogrammes pour le pulse de drain et le pulse de grille est illustré sur la Figure 2.2. Ainsi, cette configuration nous permet de minimiser l’effet de l’auto-échauffement du composant lors de la mesure. Ceci est vérifié à partir des mesures de pulses temporels

54 | P a g e du courant de drain. Toutes ces mesures de courant-tension sont effectuées lors d’une première phase à une température ambiante de 25°C pour le boitier, le composant étant asservi par un module à effet Peltier assurant la stabilisation thermique de DUT.

Figure 2.1. Banc de mesure IVCAD développé par la société AMCAD

Figure 2.2. Chronogramme défini pour le pulse de drain et de grille, le point de mesure est enregistré après la stabilisation du courant IDS

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2.1.1. La caractéristique de sortie IDS-VDS

La Figure 2.3 montre l’évolution du courant de sortie pour plusieurs valeurs de VGS comprise entre de 1.5V à 2.5V par pas de 0.2V pour un composant témoin. Les mesures sont effectuées à faibles valeurs de VDS en raison de la limite à 30A pour la sonde de drain. Les valeurs de tensions de polarisation VDS et VGS sont choisies de manière à distinguer et explorer deux zones de fonctionnement différentes : une zone dite linéaire (ohmique) pour laquelle le courant de drain est proportionnel à la tension drain-source, et la zone de saturation pour laquelle le courant de drain est quasi-indépendant de la tension drain-source. Un modèle complet devra être capable de simuler les deux zones de fonctionnement.

Par ailleurs, la zone de saturation de la caractéristique IDS-VDS permet de relever la densité maximale du courant de drain IDSMAX pour une tension VDS fixée. Nous pouvons obtenir la résistance à l’état passant RDSON par la pente dans la zone linéaire, ce qui représente les pertes en conduction lorsque le composant est passant. RDSON est calculée pour une valeur de VGS=3.7V pour un courant IDS=8A sur la courbe IDS-VDS, ces valeurs sont définies et indiquées dans le data sheet du constructeur. Le fabricant donne des valeurs de RDSON typique de 71mΩ et maximale 90mΩ, selon nos mesures sur dix composants neufs, la valeur typique de RDSON est entre 80mΩ et 85mΩ.

Figure 2.3. Caractéristique IDS-VDS avec VGS variant de 1.5V à 2.5V par pas de 0.2V.

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2.1.2. La caractéristique de transfert IDS-VGS

La caractéristique de transfert IDS-VGS représente la variation du courant de drain en fonction de la tension de commande de grille sous une polarisation drain source définie. Pour effectuer nos mesures, nous avons tout d’abord placé le composant sous une forte polarisation VDS=10V (Figure 2.4), ce qui nous permet d’extraire directement la tension de seuil VTH. Paramètre essentiel pour la caractérisation d’un transistor, la tension VTH est définie comme étant la tension grille-source minimale nécessaire pour que le courant puisse commencer à traverser le canal du composant. Egalement proposée par le data sheet du constructeur, la condition d’extraction de VTH à partir de la caractéristique de transfert IDS-VGS est fixée: VDS=10V, @IDS=2.1mA. La Figure 2.4(a) présente la forme logarithmique de la courbe IDS-VGS pour extraire la valeur de VTH. Le fabricant donne une valeur typique de 1.2V, minimale 0.8V et maximale 1.6V. D’après nos mesures sur dix composants, la valeur typique du VTH est entre 1.22V et 1.25V.

Figure 2.4. Caractéristique IDS-VGS avec VDS=10V. (a). La forme logarithmique de la courbe

Lors de l’injection de trous pour GaN-GIT qui permet d’accumuler les électrons pour réaliser une modulation de conductivité, nous considérons également la

57 | P a g e caractéristique du courant de grille IGS en fonction de la tension de grille-source VGS. Pour ne pas dépasser la limite du courant pour la sonde de drain de référence AM222, nous avons placé le composant sous une faible tension VDS=1V, et mesuré le courant de drain IDS et de grille IGS en même temps. Comme l’illustre dans la Figure 2.5, nous pouvons observer que le courant de drain IDS augmente drastiquement puisque VGS

arrive à VTH lors de l’augmentation de la densité de charge dans le canal 2DEG, bien que la grille de jonction p-n ne soit pas dans l’état passant. Ensuite, le courant de grille IGS commence à augmenter lorsque VGS dépasse une tension intégrée VF (estimée par 3.7V), tandis que les trous commencent à être injectés par la couche p-AlGaN, présenté dans le Chapitre I.

Figure 2.5. Le courant IDS et IGS en fonction de VGS pour VDS=1V

2.1.3. Le courant de fuite de drain et de grille

Le courant de fuite représente les pertes de puissance du composant qui comporte deux paramètres: Le courant de fuite de drain IDSS et le courant de fuite de grille IGSS. Les mesures sont effectuées par un Sourcemeter (SMU) Keithley 2636B, des sources indépendantes de tension sont exploitées (pour la tension VDS et VGS) et un circuit de protection par limitation de courant est intégré en cas de défaillance du transistor. Configuré par le logiciel, le banc peut fournir les pulses répétitifs de mesure durant 20s permettant de réduire l’effet de piège, ce phénomène sera mis en évidence dans la

58 | P a g e section 3.2. Comme l’illustre respectivement les Figure 2.6(a) et 2.6(b), la valeur est enregistrée après dix secondes pour tous les mesures. Cependant, le courant de fuite de grille (Figure 2.6(a)) semble continuer à décroitre, mais a tendance à se stabiliser. Ainsi, L’auto-échauffement du DUT est considérée négligeable car la puissance dissipée est très faibles et le DUT est maintenu en stabilité thermique sur un module Peltier asservi à une température de 25°C pendant la mesure.

Le courant de fuite de grille IGSS est mesuré en reliant le drain du DUT à la source et en polarisant la grille à une tension déterminée. Dans notre cas nous fixons la condition de mesure soit VGS=4.5V, valeur maximale (DC) indiquée dans le datasheet et VDS=0V. Selon nos mesures sur dix composants neufs, la valeur typique du courant de fuite IGSS est entre 22.5µA et 24µA.

Figure 2.6. (a).Mesure du courant de fuite IGSS, et (b) IDSS

(a)

59 | P a g e Figure 2.7. Le courant de fuite de drain IDSS en fonction de la tension VDS pour

VGS=0V

Le courant de fuite de drain IDSS est une perte progressive de la charge électrique d’un composant électrique à l’état bloqué. En effet, la mesure consiste à relier la grille à la source afin de réaliser un court-circuit en bloquant ainsi le canal de conduction et en polarisant le drain à une tension déterminée. La Figure 2.7 présente l’évaluation du courant IDSS en fonction de la tension VDS jusqu’à 600V, mettant en évidence la tenue en tension du DUT. Le fabricant donne une valeur maximale de 100µA. Selon nos mesures, la valeur typique de IDSS pour les 10 composants neufs pour VDS=600V est situé entre 600nA et 750nA.