Ao longo do tempo, a indústria aprendeu muito sobre as propriedades dos cristais de silício utilizados para alcançar a Lei de Moore. Por exemplo, há cerca de 20 anos, a engenharia de deformação tornou-se crucial no desenvolvimento de transístores. Esta tecnologia utiliza camadas de materiais para distorcer localmente as redes cristalinas do silício, de forma a melhorar a mobilidade dos portadores de carga elétrica através destes canais. Este tipo de engenharia de cristais ajudou a reintroduzir na indústria semicondutores não baseados em silício e semicondutores compostos, que eram anteriormente considerados muito difíceis de utilizar, caros ou frágeis, apesar das suas propriedades elétricas superiores.
Os processos e materiais de fabrico são fundamentais para o progresso
O nitreto de gálio (GaN), por exemplo, foi investigado como material semicondutor há meio século, mas os dispositivos fabricados com este material exigiam a utilização de substratos de safira dispendiosos e frágeis. Hoje, os filmes de GaN podem ser desenvolvidos de forma fiável e impecável na superfície de uma pastilha de silício. Isto abriu caminho para um fornecimento crescente de dispositivos de alto desempenho. Da mesma forma, as melhorias nos processos de fabrico levaram ao desenvolvimento de compostos de silício, como o carboneto de silício (SiC), que é quase tão duro como o diamante e viável para a produção em grande escala.
Os semicondutores GaN e SiC são caracterizados por intervalos de banda entre as bandas de valência e de condução três vezes superiores aos dos dispositivos de silício convencionais. Esta característica, juntamente com outras propriedades destes semicondutores, torna-os ideais para circuitos de alta potência. Os materiais apresentam valores de campo crítico dez vezes superiores aos dos dispositivos de silício típicos. O resultado é uma tensão de rutura mais elevada, que pode ser utilizada para reduzir o tamanho e o custo dos transístores utilizados em fontes de alimentação e outros circuitos que exigem a capacidade de lidar com elevados níveis de tensão e corrente.
Devido aos valores mais elevados do campo crítico e da tensão de ruptura, a região de deriva de um transístor ou díodo vertical pode ser muito mais estreita quando se utiliza SiC do que com um dispositivo de silício. Isto não só leva a uma redução da resistência de condução, resultando em perdas de potência significativamente menores quando a corrente flui através do dispositivo, mas também a tempos de recuperação mais curtos, uma vez que há menos portadores minoritários a serem eliminados, por exemplo, num díodo polarizado inversamente. Um dispositivo como o WNSC021200 da WeEn Semiconductors tem uma carga de recuperação de apenas 10 nC, muito inferior à dos díodos PiN de silício.
Tamanho e mobilidade como catalisadores para futuras aplicações
Por sua vez, o tamanho reduzido do transístor permite a redução de elementos parasitas, como a capacidade de porta e de saída. A soma destes efeitos resulta em frequências de comutação mais elevadas em fontes de alimentação comutada e circuitos similares. Os dispositivos de GaN, por exemplo, podem operar com frequências de comutação bem acima de 1 MHz. Nestas frequências, também é possível utilizar componentes passivos mais pequenos, normalmente utilizados para suavizar os transitórios de comutação. O resultado é uma fonte de alimentação mais pequena e mais eficiente.
Alguns fabricantes, como a Power Integrations, têm aproveitado as propriedades do GaN para criar circuitos integrados para os interruptores das fontes de alimentação. Um exemplo é o INN3276C-H204, um CI de comutação flyback offline com um interruptor primário integrado, ideal para aplicações de carregamento de baterias com potência constante. Este dispositivo suporta até 35 W de potência de saída; outros produtos da família PowiGaN da empresa podem suportar até 100 W de potência de saída sem a necessidade de um dissipador de calor.
Outro atributo do GaN é a sua mobilidade de portadores inerentemente superior: quase 40% superior à do silício. Esta elevada mobilidade resulta da formação de um gás de eletrões bidimensional nas interfaces entre os materiais dos componentes, uma característica intrínseca dos HEMTs (transístores de alta mobilidade de eletrões) e também encontrada noutros materiais, como o arseneto de gálio (GaAs). Esta elevada mobilidade possibilitou a utilização do GaN em aplicações como estações base e instrumentação científica. Os dispositivos da Nexperia são concebidos especificamente para este segmento de mercado.
Para além das aplicações de radiofrequência (RF) nas comunicações celulares, existe uma crescente inter-relação entre o design de RF e a fonte de alimentação no campo em rápida expansão do carregamento sem fios. A norma AirFuel, por exemplo, requer uma frequência de transmissão de 6,78 MHz. Dispositivos como os transístores de potência CoolGaN da Infineon Technologies são ideais para as topologias de amplificadores Classe D e Classe E utilizadas nestas aplicações.
A capacidade do SiC de lidar com frequências de comutação mais elevadas do que o silício levou à sua utilização em equipamentos médicos de alta tensão, como máquinas de raios X, entre outras aplicações de gestão de energia. As capacidades de comutação quase instantânea dos MOSFET de SiC, como a série SCT3 da ROHM, são complementadas na série xR pela configuração de quatro pinos do encapsulamento TO-247 modificado. Este design é utilizado em componentes como o SCT3060ARC14, um MOSFET de 39 A e 650 V, para reduzir as perdas de comutação até 35% em comparação com as configurações convencionais de encapsulamento de três pinos. Uma ligação dreno-fonte separada do driver de gate ajuda a minimizar a indutância parasita, o que pode ser aproveitado para aumentar a velocidade de comutação do circuito.
Outra vantagem fundamental destes semicondutores de banda larga reside na sua capacidade de operar a altas temperaturas, o que oferece benefícios significativos em termos de tamanho e custo. Por exemplo, os transístores não necessitam de grandes dissipadores de calor para dissipar o calor, ao contrário dos MOSFET de silício, que necessitam deles para evitar perdas devido às maiores resistências de condução e às temperaturas elevadas. O SiC supera o GaN ao oferecer a capacidade de operar em condições que ultrapassam as capacidades dos dispositivos de silício. Isto tornou o SiC uma escolha cada vez mais popular para circuitos em aplicações automóveis, militares e de perfuração, uma vez que pode ser montado junto ao compartimento do motor, travões ou cabeças de perfuração e manter a funcionalidade quando as temperaturas atingem os 200 °C. Para suportar estas temperaturas mais elevadas, estes dispositivos são frequentemente fornecidos como chips expostos para integração com encapsulamentos especializados para altas temperaturas. No entanto, muitos dos encapsulamentos amplamente utilizados, como o DPAK ou o TO-247, criados pela Genesic Semiconductor, Littelfuse e OnSemi, entre outros, operam a temperaturas de junção até 175 °C.
O controlo inteligente e como implementar melhor as tecnologias GaN, SiC etecnologias
As elevadas frequências de comutação dos materiais semicondutores de banda larga permitem aos projetistas tirar partido de técnicas de controlo inovadoras, como a conversão de matrizes, que utiliza cálculos de modulação de vetores espaciais para controlar motores CA de alto desempenho numa arquitetura que pode ser implementada numa maior variedade de sistemas de alimentação como alternativa às elevadas velocidades de comutação das topologias convencionais. O desempenho do driver de gate é igualmente importante em todas estas arquiteturas de circuitos de comutação rápida. Além de criar a linha de dispositivos de potência CoolGaN e os transístores e díodos CoolSiC, a Infineon investiu em tecnologias como o EiceDriver. O EiceDriver é um design de driver de gate que emprega elevados níveis de rejeição de modo comum para permitir a utilização de topologias não isoladas numa maior variedade de aplicações, reduzindo assim os custos da lista de materiais.
A necessidade de controlo inteligente está a impulsionar o desenvolvimento de dispositivos de potência altamente integrados que combinam microcontroladores e transístores de potência, aproveitando os avanços na fabricação baseada em SiP (SiP). A STMicroelectronics anunciou recentemente a iniciativa STi2GaN, que integra estágios de potência GaN e lógica de controlo utilizando BCD, juntamente com controladores e circuitos de isolamento, num único SiP. O acoplamento estreito destes elementos de circuito ajuda a levar os projetos de fontes de alimentação para a gama dos megahertz e a reduzir a área total da placa, o que se está a tornar cada vez mais importante em projetos de veículos elétricos, onde muitos componentes precisam de ser montados em paralelo, bem como em carregadores de baterias para o consumidor.
À medida que os materiais de banda larga proibida se tornam mais compreendidos, a sua integração com circuitos de silício irá impulsionar uma variedade de aplicações. É fácil compreender por que razão muitos dispositivos de silício convencionais estão a ser substituídos em diversas áreas. Um distribuidor técnico experiente como a Farnell pode orientar os engenheiros sobre onde o GaN, o SiC e tecnologias relacionadas podem ser utilizados com maior vantagem e como os fabricantes de dispositivos estão a evoluir para os incorporar em novas aplicações.
Por Cliff Ortmeyer, Diretor Global de Marketing Técnico da Farnell
