Brevet FR3152933A1 — publié le 20250314

L'invention concerne un dispositif à semi-conducteur comprenant : un amplificateur configuré à partir d'un élément constitué de carbure de silicium, et comprenant un circuit amplificateur différentielle qui amplifie un signal d'entrée ; et un circuit d'alimentation qui fournit une tension à l'amplificateur. Le circuit de réduction du niveau de fluctuation de tension est ici inséré entre le circuit d'alimentation et l'amplificateur. Il en résulte qu'il est possible d'éliminer de manière appropriée l'influence d'une dérive lorsque l'amplificateur est configuré à partir d'un semi-conducteur constitué de carbure de silicium. DISPOSITIF À SEMI-CONDUCTEUR CONTEXTE DE L’INVENTION 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif à semi-conducteur. 2. Description de l'état de la technique Au cours des dernières années, des semi-conducteurs configurés à partir d'éléments constitués de carbure de silicium (SiC) se sont répandus. Un dispositif constitué de carbure de silicium présente des caractéristiques différentes de celles d'un dispositif classique constitué de silicium, et offre divers avantages. À titre d'exemple, un semi-conducteur constitué de carbure de silicium présente d'excellentes performances en matière de résistance aux radiations et convient donc à un système de mesure d'un dispositif à énergie nucléaire et d'un dispositif utilisé dans l'espace, tel qu'un satellite artificiel. À titre d'exemple, il est envisagé de configurer un amplificateur dénommé circuit amplificateur différentiel à partir d'un élément constitué de carbure de silicium. Le document JP 2023-31429 A décrit le fait qu'un circuit présentant une excellente résistance aux radiations est configuré au moyen d'un semi-conducteur constitué de carbure de silicium. Il est décrit que, dans le cas où un dispositif à semi-conducteur est constitué de carbure de silicium, la technique décrite dans le document JP 2023-31429 A pose un problème selon lequel un pic de tension est généré pendant le démarrage, et une configuration de circuit présentant une excellente résistance aux pics est proposée pour remédier à ce problème. Par ailleurs, lorsqu'un système de mesure présentant une excellente résistance aux radiations est configuré à partir d'un semi-conducteur constitué de carbure de silicium, un amplificateur (circuit amplificateur différentiel) est configuré à partir d'un semi-conducteur constitué de carbure de silicium. Cependant, lorsque l'amplificateur est constitué d'un semi-conducteur fait de carbure de silicium, on se heurte au problème selon lequel, pendant le démarrage, une tension affecte une borne d'entrée de l'amplificateur et fait dériver une tension de décalage. Étant donné que cette dérive exerce une influence pendant plusieurs heures, par exemple dans le cas d'un système de mesure qui mesure le signal de sortie d'un amplificateur, il n'est pas possible d'effectuer une mesure précise. En outre, le problème selon lequel le semi-conducteur constitué de carbure de silicium fait dériver la tension de décalage est considéré comme étant dû aux caractéristiques du matériau constituant le semi-conducteur lui-même, ainsi qu'au fait que le processus de fabrication devient plus instable dans le cas du semi-conducteur constitué de carbure de silicium que dans le cas d'un semi-conducteur constitué de silicium. Compte tenu de ce qui précède, un objet de la présente invention est de fournir un dispositif à semi-conducteur capable d'obtenir un signal de sortie sans influence de la dérive, même lorsqu'un amplificateur est configuré à partir d'un semi-conducteur constitué de carbure de silicium. La présente demande propose une pluralité de moyens destinés à résoudre le problème susmentionné, dont un exemple est un dispositif à semi-conducteur comprenant : un amplificateur configuré à partir d'un élément constitué de carbure de silicium, et comprenant un circuit amplificateur différentiel qui amplifie un signal d'entrée ; et un circuit d'alimentation qui fournit une tension à l'amplificateur, un circuit de réduction du niveau de fluctuation de tension étant inséré entre le circuit d'alimentation et l'amplificateur. Selon la présente invention, il est possible d'éviter qu'une dérive d'une tension de décalage se produise au moyen d'un circuit de réduction du niveau de fluctuation de tension, et de supprimer une fluctuation d'un signal de sortie due à la dérive de la tension de décalage dans le cas où un circuit amplificateur différentiel est configuré à partir d'un élément constitué de carbure de silicium. Les problèmes, configurations et effets autres que ceux décrits ci-dessus ressortiront de la description suivante de modes de réalisation. FIG. 1 La FIG. 1 est un schéma de circuit d'un dispositif à semi-conducteur selon un premier mode de réalisation de la présente invention ; FIG. 2 la FIG. 2 est un diagramme de configuration générale du dispositif à semi-conducteur selon le premier mode de réalisation de la présente invention ; FIG. 3 la FIG. 3 est un schéma de circuit d'un circuit de réduction de dV/dt du dispositif à semi-conducteur selon le premier mode de réalisation de la présente invention ; FIG. 4 la FIG. 4 est un diagramme caractéristique d'un circuit de réduction de dV/dt du dispositif à semi-conducteur selon le premier mode de réalisation de la présente invention ; FIG. 5 la FIG. 5 est un schéma de circuit d'un dispositif à semi-conducteur selon le second mode de réalisation de la présente invention ; FIG. 6 la FIG. 6 est un diagramme caractéristique d'un dispositif à semi-conducteur selon le second mode de réalisation de la présente invention ; FIG. 7 la FIG. 7 est un schéma de circuit représentant un exemple de dispositif à semi-conducteur classique ; FIG. 8 la FIG. 8 est un diagramme caractéristique représentant un exemple de fonctionnement du dispositif à semi-conducteur classique ; FIG. 9 la FIG. 9 est un diagramme caractéristique comparant une caractéristique selon la présente invention à une tension de décalage classique ; et FIG. 10 la FIG. 10 est un schéma de circuit représentant un exemple modifié du dispositif à semi-conducteur selon les modes de réalisation de la présente invention. DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS Un dispositif à semi-conducteur selon un premier mode de réalisation de la présente invention sera décrit ci-après en référence aux figures 1 à 4. La FIG. 1 représente un circuit d'un dispositif à semi-conducteur selon ce mode de réalisation. Le dispositif à semi-conducteur de ce mode de réalisation est un dispositif à semi-conducteur utilisé comme système de mesure 100, et comprend un amplificateur 1 comportant un circuit amplificateur différentiel qui amplifie un signal d'entrée. L'amplificateur 1 est configuré à partir d'un semi-conducteur constitué de carbure de silicium (SiC). L'amplificateur 1 est dénommé ci-après amplificateur au SiC. L'amplificateur au SiC 1 possède une borne d'entrée positive (borne d'entrée non inverseuse) et une borne d'entrée négative (borne d'entrée inverseuse), et un signal obtenu par une borne d'entrée de signal de mesure 2 est fourni à la borne d'entrée positive. Sur une borne de sortie 3, l'amplificateur au SiC 1 obtient ensuite un signal obtenu en amplifiant la différence entre les signaux obtenus sur la borne d'entrée positive et sur la borne d'entrée négative. La borne d'entrée négative et la borne de sortie 3 sont connectées, et une sortie de l'amplificateur au SiC 1 est renvoyée à la borne d'entrée négative. L'amplificateur au SiC 1 possède une borne d'alimentation positive et une borne d'alimentation négative. Une alimentation positive V dd est fournie à la borne d'alimentation positive de l'amplificateur au SiC 1, et une alimentation négative V ss est fournie à la borne d'alimentation négative de l'amplificateur au SiC 1. L'alimentation positive V dd est fournie par un circuit d'alimentation 4. L'alimentation négative V ss est par exemple un potentiel de masse du circuit d'alimentation 4. Dans ce mode de réalisation, un circuit de réduction de dV/dt 5 est connecté entre le circuit d'alimentation 4 et l'alimentation positive V dd . Le circuit de réduction de dV/dt 5 joue le rôle de circuit de réduction du niveau de fluctuation de tension, et réduit un niveau de fluctuation de tension dV en une unité de temps dt. Dans le cas présent, une variation dV par unité de temps dt est une variation au moins inférieure à 15 V/ms. Dans le cas de la configuration de la FIG. 1 , le circuit de réduction de dV/dt 5 est connecté entre un côté positif du circuit d'alimentation 4 et une ligne de l'alimentation positive V dd . La FIG. 2 représente un exemple de configuration de l'ensemble du système de mesure 100 comprenant l'amplificateur au SiC 1 présentant la configuration de circuit illustrée sur la FIG. 1 . Le système de mesure 100 comprend un capteur 101, un dispositif à semi-conducteur 102 et une unité de sortie 103. Le capteur 101 mesure divers états tels qu'une pression et un niveau d'eau, et fournit en sortie un signal de mesure. À titre d'exemple, le capteur 101 mesure le niveau d'eau dans un récipient sous pression d'une centrale nucléaire. Une valeur de tension du signal de mesure émis par le capteur 101 varie. Le signal de mesure fourni en sortie par le capteur 101 est délivré au dispositif à semi-conducteur 102. Le dispositif à semi-conducteur 102 présente la même configuration que celle illustrée par exemple sur la FIG. 1 , et comprend l'amplificateur au SiC 1 ( FIG. 1 ). Une unité d'alimentation 102a du dispositif à semi-conducteur 102 comprend le circuit d'alimentation 4 et le circuit de réduction de dV/dt 5. Le signal de mesure amplifié par le dispositif à semi-conducteur 102 est ensuite fourni à l'unité de sortie 103, fournissant en sortie un signal de tension qui est le signal de mesure. Le traitement de sortie du signal de mesure dans l'unité de sortie 103 comprend l'affichage et l'enregistrement d'une valeur de tension, sa transmission vers l'extérieur, etc. La FIG. 3 représente un exemple de configuration du circuit de réduction de dV/dt 5. L'exemple illustré sur la FIG. 3 est un exemple du circuit de réduction de dV/dt 5 connecté entre l'entrée de puissance V in et la sortie de puissance V out . Le circuit d'alimentation 4 est connecté à l'entrée de puissance V in . Dans le circuit de réduction de dV/dt 5, une résistance 51 est connectée en série entre l'entrée de puissance V in et la sortie de puissance V out , et une extrémité d'un condensateur 52 est connectée entre la résistance 51 et la sortie de puissance V out . L'autre extrémité du condensateur 52 est connectée à une partie au potentiel de masse. La résistance 51 et le condensateur 52 de la configuration représentée sur la FIG. 3 jouent le rôle de filtre passe-bas, et la fluctuation de tension dV pendant l'unité de temps dt est réduite par un circuit passif comportant la résistance 51 et le condensateur 52. La FIG. 4 représente les caractéristiques du circuit de réduction de dV/dt 5 illustré sur la FIG. 3 . Le diagramme caractéristique du haut de la FIG. 4 représente une variation temporelle (axe horizontal) de la tension (axe vertical) de l'entrée de puissance V in . Le diagramme caractéristique du bas de la FIG. 4 représente une variation temporelle (axe horizontal) de la tension (axe vertical) de la sortie de puissance V out obtenue par l'intermédiaire du circuit de réduction de dV/dt 5. Comme illustré dans le diagramme caractéristique du haut de la FIG. 4 , le circuit d'alimentation 4 est démarré à un certain instant pour fournir en sortie une tension E. A cet instant, comme illustré dans le diagramme caractéristique du bas de la FIG. 4 , la puissance de sortie V out croît jusqu'à la tension E avec une certaine constante de temps du fait de l'action du filtre passe-bas comprenant la résistance 51 et le condensateur 52. Lorsque les caractéristiques de la résistance 51 et du condensateur 52 sont respectivement désignées par R et C, la puissance de sortie V out présente les caractéristiques exprimées par l'[Expression 1] suivante. [Expression 1] Grâce au système de mesure 100 configuré comme décrit ci-dessus, il est possible d'éviter la dérive de la tension de décalage, et il est possible de supprimer la fluctuation du signal de sortie due à la dérive de la tension de décalage lorsque l'amplificateur au SiC 1 comprenant l'élément constitué de carbure de silicium est utilisé. Un dispositif à semi-conducteur selon un second mode de réalisation de la présente invention sera ensuite décrit en référence aux figures 5 à 6. Sur les figures 5 et 6, les parties qui sont identiques à celles des figures 1 à 4 décrites dans le premier mode de réalisation sont désignés par les mêmes références numériques, et toute description redondante sera omise. La FIG. 5 représente un circuit d'un dispositif à semi-conducteur selon ce mode de réalisation. Dans l'amplificateur au SiC 1 fait d'un semi-conducteur constitué de carbure de silicium (SiC), une résistance 6a est connectée entre la borne de sortie 3 et la borne d'entrée négative V in- . De plus, une résistance 6c est connectée à la borne d'entrée positive V in+ de l'amplificateur au SiC 1, et un signal d'entrée destiné à l'amplificateur au SiC 1 est fourni par l'intermédiaire de la résistance 6c. En outre, une résistance 6b est connectée à la borne d'entrée négative V in- de l'amplificateur au SiC 1. L'alimentation positive V dd est ensuite fournie par un circuit d'alimentation 4a à la borne d'alimentation positive de l'amplificateur au SiC 1, et l'alimentation négative V ss est fournie par un circuit d'alimentation 4b à la borne d'alimentation négative de l'amplificateur au SiC 1. Dans le cas présent, le circuit de réduction de dV/dt 5a est connecté entre le circuit d'alimentation 4a et la borne d'alimentation positive de l'amplificateur au SiC 1. De même, un circuit de réduction de dV/dt 5b est connecté entre le circuit d'alimentation 4b et la borne d'alimentation négative de l'amplificateur au SiC 1. Chacun des circuits de réduction de dV/dt 5a et 5b comprend un filtre comportant des composants passifs (une résistance et un condensateur), par exemple illustrés sur la FIG. 3 . La FIG. 6 représente un exemple caractéristique du circuit illustré sur la FIG. 5 . Dans l'exemple de la FIG. 6 , l'axe vertical représente la borne d'entrée négative V in- , la borne d'entrée positive V in+ , l'alimentation positive V dd , et l'alimentation négative V ss de l'amplificateur au SiC 1, et l'axe horizontal représente la variation temporelle (ms). Comme illustré sur la FIG. 6 , à l'instant où la période de démarrage T1 se termine, l'alimentation positive V dd et l'alimentation négative V ss croissent jusqu'aux tensions prescrites. On suppose ici que l'alimentation positive V dd est de 4 V et que l'alimentation négative V ss est de -4 V. Une période T2 au cours de laquelle un court-circuit virtuel est en fonctionnement fait suite à l'achèvement de la période de démarrage T1. Dans l'exemple de la FIG. 6 , une surtension de la tension d'entrée de la borne d'entrée négative V in- se produit immédiatement avant la fin de la période de démarrage T1. Cette surtension est égale ou inférieure à 0,5 V. A cet instant, sous l'effet des circuits de réduction de dV/dt 5a et 5b, l'instant où un pic de surtension V p se produit dans l'alimentation positive V dd se décale vers la période T2 au cours de laquelle le court-circuit virtuel est en fonctionnement. En d'autres termes, la tension fournie en sortie par les circuits d'alimentation 4a et 4b pendant le démarrage est inférieure à la valeur de la tension d'alimentation qui converge jusqu'à ce qu'un court-circuit virtuel se produise entre les deux bornes d'entrée V in- et V in+ . Il en résulte qu'il est possible d'éliminer un effet défavorable sur le signal de sortie lorsque l'amplificateur au SiC 1 comprenant l'élément constitué de carbure de silicium est utilisé. L'alimentation positive V dd et l'alimentation négative V ss convergent progressivement vers 4 V ou -4 V pendant la période T2 au cours de laquelle le court-circuit virtuel est en fonctionnement. On va décrire ici ( FIG. 8 ) à titre de référence une configuration dans laquelle les circuits de réduction de dV/dt 5a et 5b ne sont pas prévus pour le dispositif à semi-conducteur illustré sur la FIG. 5 (configuration classique : FIG. 7 ) et les caractéristiques de la configuration de la FIG. 7 . Dans le cas du dispositif à semi-conducteur illustré sur la FIG. 7 , l'alimentation positive V dd est fournie par le circuit d'alimentation 4a à la borne d'alimentation positive de l'amplificateur au SiC 1, et l'alimentation négative V ss est fournie par le circuit d'alimentation 4b à la borne d'alimentation négative de l'amplificateur au SiC 1. Dans le cas présent, les circuits de réduction de dV/dt 5a et 5b ne sont pas connectés aux circuits d'alimentation 4a et 4b respectifs. Si l'on se réfère à la FIG. 8 , qui représente les caractéristiques de la configuration illustrée sur la FIG. 7 , une surtension de la tension d'entrée de la borne d'entrée négative V in- se produit immédiatement avant la fin de la période de démarrage T1. Cette surtension est d'environ 2,0 V. À cet instant, un pic de surtension V p ' se produit dans l'alimentation positive V dd pratiquement au même instant que la surtension de la tension d'entrée de la borne d'entrée négative V in- . Dans le cas des caractéristiques du mode de réalisation illustré sur la FIG. 6 , l'instant où le pic de surtension V p se produit se décale vers la période T2 au cours de laquelle le court-circuit virtuel est en fonctionnement. Par ailleurs, dans les caractéristiques illustrées sur la FIG. 8 , l'instant où le pic de surtension V p ' se produit est le pic de surtension V p ' apparaissant au cours la période de démarrage T1. Comme on peut le voir par comparaison avec les caractéristiques de ce mode de réalisation illustré sur la FIG. 6 , dans le cas des caractéristiques de la configuration classique illustrée sur la FIG. 8 , il se produit un effet défavorable dû au pic de surtension V p ' au cours de la période de démarrage T1, alors que dans le cas des caractéristiques de ce mode de réalisation, un effet défavorable dû au pic de surtension V p peut être éliminé. La FIG. 9 représente une comparaison de la tension de décalage (axe vertical) de l'amplificateur au SiC 1 entre la caractéristique Va de la configuration de la FIG. 5 (configuration comportant les circuits de réduction de dV/dt 5a et 5b) et la caractéristique Vb de la configuration de la FIG. 7 (configuration sans les circuits de réduction de dV/dt 5a et 5b). L'axe horizontal de la FIG. 9 représente le temps (h). Dans l'exemple de la FIG. 9 , l'alimentation positive V dd est de 4 V, et l'alimentation négative V ss est de -4 V. La tension de décalage de l'amplificateur au SiC 1 est ici une valeur obtenue en soustrayant la tension de la borne d'entrée négative V in- à la tension de la borne d'entrée positive V in+ . La caractéristique Va de la configuration comportant les circuits de réduction de dV/dt 5a et 5b est généralement stable dans n'importe quelle zone temporelle avec une tension de décalage d'environ -3,4 V à -3,6 V. Par ailleurs, dans le cas de la caractéristique Vb de la configuration ne comportant pas les circuits de réduction de dV/dt 5a et 5b, la tension de décalage fluctue fortement d'environ + 0,5 V à environ -2 V au cours d'une période prolongée. Par conséquent, l'utilisation des circuits de réduction de dV/dt 5a et 5b permet de supprimer de manière satisfaisante la fluctuation de la tension de décalage pendant le démarrage. Il convient de noter que les modes de réalisation décrits ci-dessus ont été présentés en détail afin de décrire la présente invention d'une manière facile à comprendre, et qu'il n'est pas nécessairement envisagé de se limiter à ceux qui présentent toutes les configurations décrites. À titre d'exemple, alors que le circuit d'alimentation présentant une configuration indépendante de l'amplificateur au SiC 1 est connecté dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, un circuit de réduction de dV/dt semblable peut être connecté à une configuration dans laquelle l'amplificateur au SiC et le circuit d'alimentation sont intégrés. La FIG. 10 représente un exemple de configuration correspondant à ce cas. Dans l'exemple de la FIG. 10 , un circuit série composé d'une diode Zener 13 et d'une résistance 14 est connecté entre l'entrée de puissance V in et une partie au potentiel de masse GND. Un point de connexion entre la diode Zener 13 et la résistance 14 est ensuite connecté à une borne d'entrée négative d'un amplificateur au SiC 11. Une borne de sortie de l'amplificateur au SiC 11 est connectée à une base d'un transistor à jonction bipolaire NPN 12. Un émetteur du transistor 12 est connecté à la partie au potentiel de masse GND, et un collecteur du transistor 12 est connecté à la base d'un transistor à jonction bipolaire PNP 15. Un émetteur du transistor 15 est connecté à l'entrée de puissance V in , et un collecteur du transistor 15 est connecté à l'entrée de puissance V out . De plus, l'entrée de puissance V out est connectée à une borne d'entrée positive de l'amplificateur au SiC 11. Un circuit de réduction de dV/dt 20 est ensuite connecté entre la borne de sortie de l'amplificateur au SiC 11 et la borne d'entrée négative de l'amplificateur au SiC 11. Dans l'exemple de la FIG. 10 , le circuit de réduction de dV/dt 20 est configuré sous la forme d'un filtre passe-bas dans lequel une résistance 21 et un condensateur 22 sont connectés en parallèle. Dans un cas où le circuit d'alimentation comprenant la diode Zener 13, etc. est intégré à l'amplificateur au SiC 11 comme décrit ci-dessus, les mêmes effets que ceux du premier mode de réalisation et du second mode de réalisation peuvent être obtenus lorsque le circuit de réduction de dV/dt 20 est connecté entre le circuit d'alimentation et l'amplificateur au SiC 11. En outre, une configuration dans laquelle un circuit de réduction de dV/dt est configuré à partir d'un filtre utilisant un composant passif ne constitue qu'un exemple, et le circuit de réduction de dV/dt peut être un circuit présentant une autre configuration de circuit qui joue le rôle de circuit de réduction du niveau de fluctuation de tension, qui réduit le niveau de fluctuation de tension dV pendant l'unité de temps dt. Dispositif à semi-conducteur comprenant : un amplificateur configuré à partir d'un élément constitué de carbure de silicium, et comprenant un circuit amplificateur différentiel qui amplifie un signal d'entrée ; un circuit d'alimentation qui fournit une tension à l'amplificateur ; et un circuit de réduction du niveau de fluctuation de tension inséré entre le circuit d'alimentation et l'amplificateur. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 1, dans lequel l'une de deux bornes d'entrée du circuit amplificateur différentiel contenu dans l'amplificateur est connectée électriquement à une borne de sortie de l'amplificateur, et le circuit de réduction du niveau de fluctuation de tension décale un pic de surtension d'une tension d'alimentation du circuit d'alimentation pendant le démarrage vers un instant lors duquel un court-circuit virtuel du circuit amplificateur différentiel est en fonctionnement. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 2, dans lequel une tension fournie en sortie par le circuit d'alimentation pendant le démarrage est inférieure à une valeur de tension d'alimentation qui converge jusqu'à ce qu'un court-circuit virtuel se produise entre les deux bornes d'entrée. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 1, dans lequel le circuit d'alimentation comprend un premier circuit d'alimentation qui délivre un courant du côté d'une électrode positive du circuit amplificateur différentiel et un second circuit d'alimentation qui délivre un courant du côté d'une électrode négative du circuit amplificateur différentiel, et le circuit de réduction du niveau de fluctuation de tension est inséré entre le premier circuit d'alimentation et l'amplificateur, ainsi qu'entre le second circuit d'alimentation et l'amplificateur. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 1, dans lequel le circuit de réduction du niveau de fluctuation de tension est connecté entre l'une des bornes d'entrée du circuit amplificateur différentiel et une borne de sortie. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 1, dans lequel le circuit de réduction du niveau de fluctuation de tension comprend un filtre comportant un composant passif. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 1, dans lequel un signal d'entrée de l'amplificateur est un signal de mesure, et un signal obtenu sur une borne de sortie de l'amplificateur est fourni en sortie en tant que signal de mesure amplifié.