Nel corso del tempo, l'industria ha acquisito una profonda conoscenza delle proprietà dei cristalli di silicio utilizzati per realizzare la Legge di Moore. Ad esempio, circa 20 anni fa, l'ingegneria della deformazione è diventata cruciale nello sviluppo dei transistor. Questa tecnologia utilizza strati di materiali per distorcere localmente i reticoli cristallini del silicio al fine di migliorare la mobilità dei portatori di carica elettrica attraverso questi canali. Questo tipo di ingegneria cristallina ha contribuito a reintrodurre nel settore i semiconduttori non al silicio e compositi, che in precedenza erano considerati troppo difficili da utilizzare, costosi o fragili, nonostante le loro superiori proprietà elettriche.
I processi e i materiali di produzione sono fondamentali per il progresso
Il nitruro di gallio (GaN), ad esempio, è stato studiato come materiale semiconduttore mezzo secolo fa, ma i dispositivi realizzati con questo materiale richiedevano l'uso di substrati di zaffiro costosi e fragili. Oggi, i film di GaN possono essere sviluppati in modo affidabile e impeccabile sulla superficie di un wafer di silicio. Ciò ha aperto la strada a una crescente offerta di dispositivi ad alte prestazioni. Allo stesso modo, i miglioramenti nei processi produttivi hanno portato a composti di silicio come il carburo di silicio (SiC), che è quasi duro come il diamante e pratico per la produzione su larga scala.
I semiconduttori GaN e SiC sono caratterizzati da band gap tra la banda di valenza e la banda di conduzione tre volte più ampi rispetto a quelli dei dispositivi al silicio convenzionali. Questa caratteristica, unita ad altre proprietà di questi semiconduttori, li rende ideali per circuiti ad alta potenza. I materiali presentano valori di campo critico dieci volte superiori a quelli dei tipici dispositivi al silicio. Il risultato è una tensione di rottura più elevata, che può essere sfruttata per ridurre le dimensioni e il costo dei transistor utilizzati negli alimentatori e in altri circuiti che richiedono la capacità di gestire livelli elevati di tensione e corrente.
Grazie ai valori più elevati del campo critico e della tensione di rottura, la regione di deriva di un transistor o diodo verticale può essere molto più stretta quando si utilizza il SiC rispetto a un dispositivo al silicio. Ciò non solo comporta una riduzione della resistenza di conduzione, con conseguenti perdite di potenza significativamente inferiori quando la corrente attraversa il dispositivo, ma anche tempi di recupero più brevi poiché vi sono meno portatori minoritari da eliminare, ad esempio, in un diodo polarizzato inversamente. Un dispositivo come il WNSC021200 di WeEn Semiconductors ha una carica di recupero di soli 10 nC, molto inferiore a quella dei diodi PiN al silicio.
Dimensioni e mobilità come catalizzatori per le applicazioni future
A sua volta, la minore dimensione del transistor consente una riduzione degli elementi parassiti, come la capacità di gate e di uscita. La somma di questi effetti si traduce in frequenze di commutazione più elevate negli alimentatori switching e in circuiti simili. I dispositivi GaN, ad esempio, possono gestire frequenze di commutazione ben superiori a 1 MHz. A queste frequenze, è anche possibile utilizzare componenti passivi più piccoli, tipicamente impiegati per smorzare i transitori di commutazione. Il risultato è un alimentatore più piccolo ed efficiente.
Alcuni produttori, come Power Integrations, hanno sfruttato le proprietà del GaN per creare circuiti integrati per interruttori di alimentazione. Un esempio è l'INN3276C-H204, un circuito integrato di commutazione flyback offline con un interruttore sul lato primario integrato, ideale per applicazioni di ricarica di batterie a potenza costante. Questo dispositivo supporta una potenza di uscita fino a 35 W; altri prodotti della famiglia PowiGaN dell'azienda possono supportare una potenza di uscita fino a 100 W senza necessità di dissipatore di calore.
Un'altra caratteristica del GaN è la sua intrinseca e superiore mobilità dei portatori di carica: quasi il 40% maggiore di quella del silicio. Questa elevata mobilità deriva dalla formazione di un gas di elettroni bidimensionale alle interfacce tra i materiali del componente, una caratteristica intrinseca degli HEMT (transistor ad alta mobilità elettronica) e presente anche in altri materiali, come l'arseniuro di gallio (GaAs). Questa elevata mobilità ha portato all'utilizzo del GaN in applicazioni quali stazioni base e strumentazione scientifica. I dispositivi Nexperia sono progettati specificamente per questo settore di mercato.
Oltre alle applicazioni RF nelle comunicazioni cellulari, si osserva una crescente interrelazione tra la progettazione RF e l'alimentazione nel settore in rapida espansione della ricarica wireless. Lo standard AirFuel, ad esempio, richiede una frequenza di trasmissione di 6,78 MHz. Dispositivi come i transistor di potenza CoolGaN di Infineon Technologies sono particolarmente adatti alle topologie di amplificazione in classe D e classe E utilizzate in queste applicazioni.
La capacità del SiC di gestire frequenze di commutazione più elevate rispetto al silicio ha portato al suo utilizzo in apparecchiature mediche ad alta tensione, come le macchine a raggi X, tra le altre applicazioni di gestione della potenza. Le capacità di commutazione quasi istantanee dei MOSFET in SiC, come la serie SCT3 di ROHM, sono completate nella serie xR dalla configurazione a quattro pin del package TO-247 modificato. Questo design è utilizzato in componenti come l'SCT3060ARC14, un MOSFET da 39 A, 650 V, per ridurre le perdite di commutazione fino al 35% rispetto alle configurazioni convenzionali a tre pin. Una connessione source-drain separata dal driver di gate contribuisce a minimizzare l'induttanza parassita, che può essere sfruttata per aumentare la velocità di commutazione del circuito.
Un altro vantaggio chiave di questi semiconduttori a banda proibita ampia risiede nella loro capacità di operare ad alte temperature, il che offre significativi vantaggi in termini di dimensioni e costi. Ad esempio, i transistor non richiedono grandi dissipatori di calore per disperdere il calore, a differenza dei MOSFET al silicio, che ne hanno bisogno per evitare perdite dovute a resistenze di conduzione più elevate e temperature elevate. Il SiC supera il GaN offrendo la capacità di operare in condizioni che vanno oltre le capacità dei dispositivi al silicio. Ciò ha reso il SiC una scelta sempre più popolare per i circuiti in applicazioni automobilistiche, militari e di perforazione, poiché può essere montato vicino al vano motore, ai freni o alle teste di perforazione e mantenere la funzionalità quando le temperature raggiungono i 200 °C. Per resistere a queste temperature più elevate, questi dispositivi sono spesso forniti come chip esposti per l'integrazione con package specializzati per alte temperature. Tuttavia, molti di quelli in package ampiamente utilizzati, come DPAK o TO-247, prodotti da Genesic Semiconductor, Littelfuse e OnSemi, tra gli altri, operano a temperature di giunzione fino a 175 °C.
Controllo intelligente e come implementare al megliole tecnologie
Le elevate frequenze di commutazione che i materiali semiconduttori a banda proibita ampia consentono ai progettisti di sfruttare nuove tecniche di controllo come la conversione di array, che utilizza calcoli di modulazione vettoriale spaziale per il controllo di motori CA ad alte prestazioni in un'architettura implementabile in una più ampia varietà di sistemi di alimentazione, in alternativa alle velocità di commutazione più elevate delle topologie convenzionali. Le prestazioni del gate driver sono altrettanto importanti in tutte queste architetture di circuiti a commutazione rapida. Oltre a creare la gamma di dispositivi di potenza CoolGaN e i transistor e diodi CoolSiC, Infineon ha investito in tecnologie come EiceDriver. EiceDriver è un design di gate driver che impiega elevati livelli di reiezione di modo comune per consentire l'uso di topologie non isolate in una più ampia varietà di applicazioni, riducendo così i costi della distinta base.
La necessità di un controllo intelligente sta guidando lo sviluppo di dispositivi di potenza altamente integrati che combinano microcontrollori e transistor di potenza, sfruttando i progressi nella produzione basata su SiP (SiP). STMicroelectronics ha recentemente annunciato l'iniziativa STi2GaN, che integra stadi di potenza GaN e logica di controllo utilizzando BCD, insieme a controller e circuiti di isolamento, in un singolo SiP. Lo stretto accoppiamento di questi elementi circuitali contribuisce a spingere i progetti di alimentazione nella gamma dei megahertz e a ridurre l'ingombro complessivo della scheda, aspetto che sta diventando sempre più importante nei progetti di veicoli elettrici, dove molti componenti devono essere assemblati in parallelo, così come nei caricabatterie per uso domestico.
Con la crescente comprensione dei materiali a banda proibita ampia, la loro integrazione con i circuiti al silicio darà impulso a una varietà di applicazioni. È facile capire perché molti dispositivi al silicio convenzionali vengano sostituiti in numerosi settori. Un distributore tecnico esperto come Farnell può guidare gli ingegneri nell'individuazione delle aree in cui GaN, SiC e tecnologie correlate possono essere utilizzate in modo più vantaggioso e nel mostrare come i produttori di dispositivi si stanno evolvendo per integrarle in nuove applicazioni.
A cura di Cliff Ortmeyer, Responsabile globale del marketing tecnico presso Farnell
