Со временем промышленность многое узнала о свойствах кремниевых кристаллов, используемых для реализации закона Мура. Например, около 20 лет назад технология деформации кристаллов стала решающей в разработке транзисторов. Эта технология использует слои материалов для локального искажения кристаллических решеток кремния с целью улучшения подвижности электрических носителей через эти каналы. Этот тип кристаллической инженерии помог вновь ввести в промышленность некремниевые и композитные полупроводники, которые ранее считались слишком сложными в использовании, дорогими или хрупкими, несмотря на их превосходные электрические свойства.
Производственные процессы и материалы имеют основополагающее значение для прогресса
Например, нитрид галлия (GaN) исследовался в качестве полупроводникового материала полвека назад, но для изготовления устройств из этого материала требовались дорогие и хрупкие сапфировые подложки. Сегодня пленки GaN можно надежно и безупречно формировать на поверхности кремниевой пластины. Это открыло путь к растущему предложению высокопроизводительных устройств. Аналогичным образом, усовершенствования в производственных процессах привели к появлению кремниевых соединений, таких как карбид кремния (SiC), который почти так же тверд, как алмаз, и пригоден для крупномасштабного производства.
Полупроводники GaN и SiC характеризуются шириной запрещенной зоны между валентной и проводимой полосами, в три раза превышающей ширину запрещенной зоны обычных кремниевых устройств. Это, наряду с другими свойствами этих полупроводников, делает их идеальными для мощных схем. Материалы демонстрируют значения критического поля в десять раз выше, чем у типичных кремниевых устройств. В результате достигается более высокое напряжение пробоя, что позволяет уменьшить размеры и стоимость транзисторов, используемых в источниках питания и других схемах, требующих способности работать с высокими уровнями напряжения и тока.
Благодаря более высоким значениям критического поля и напряжения пробоя, дрейфовая область вертикального транзистора или диода может быть значительно уже при использовании SiC, чем в случае кремниевых устройств. Это приводит не только к снижению сопротивления в открытом состоянии, что значительно уменьшает потери мощности при протекании тока через устройство, но и к сокращению времени восстановления, поскольку требуется удалить меньше неосновных носителей заряда, например, в диоде с обратным смещением. Устройство, подобное WeEn Semiconductors WNSC021200, имеет заряд восстановления всего 10 нКл, что значительно ниже, чем у кремниевых PiN-диодов.
Размер и подвижность как катализаторы для будущих применений
В свою очередь, меньший размер транзистора позволяет уменьшить паразитные элементы, такие как емкость затвора и выходного каскада. Совокупность этих эффектов приводит к более высоким частотам переключения в импульсных источниках питания и аналогичных схемах. Например, GaN-устройства могут работать на частотах переключения значительно выше 1 МГц. На этих частотах также возможно использование более компактных пассивных компонентов, которые обычно применяются для сглаживания переходных процессов переключения. В результате получается более компактный и эффективный источник питания.
Некоторые производители, такие как Power Integrations, используют свойства нитрида галлия (GaN) для создания интегральных схем силовых переключателей. Примером может служить INN3276C-H204, микросхема обратноходового импульсного преобразователя с интегрированным переключателем на первичной стороне, идеально подходящая для приложений зарядки батарей постоянной мощности. Это устройство поддерживает выходную мощность до 35 Вт; другие продукты из семейства PowiGaN компании могут поддерживать выходную мощность до 100 Вт без необходимости использования радиатора.
Еще одно преимущество GaN — его изначально превосходная подвижность носителей заряда: почти на 40% выше, чем у кремния. Эта высокая подвижность обусловлена образованием двумерного электронного газа на границах раздела материалов компонентов, что является неотъемлемой характеристикой HEMT (транзисторов с высокой подвижностью электронов), а также встречается в других материалах, таких как арсенид галлия (GaAs). Эта высокая подвижность привела к использованию GaN в таких областях применения, как базовые станции и научное оборудование. Устройства Nexperia специально разработаны для этого сегмента рынка.
Помимо радиочастотных приложений в сотовой связи, в быстро развивающейся области беспроводной зарядки растет взаимосвязь между радиочастотным проектированием и источниками питания. Например, стандарт AirFuel требует частоты передачи 6,78 МГц. Такие устройства, как силовые транзисторы CoolGaN от Infineon Technologies, хорошо подходят для усилительных схем класса D и класса E, используемых в этих приложениях.
Способность SiC выдерживать более высокие частоты переключения, чем кремний, привела к его использованию в высоковольтном медицинском оборудовании, таком как рентгеновские аппараты, а также в других областях применения, связанных с управлением мощностью. Практически мгновенное переключение SiC MOSFET-транзисторов, таких как серия SCT3 от ROHM, в серии xR дополняется модифицированной четырехконтактной конфигурацией корпуса TO-247. Эта конструкция используется в таких компонентах, как SCT3060ARC14, MOSFET-транзистор с током 39 А и напряжением 650 В, что позволяет снизить потери при переключении до 35% по сравнению с обычными трехконтактными корпусами. Отдельное соединение истока и стока от драйвера затвора помогает минимизировать паразитную индуктивность, что может быть использовано для увеличения скорости переключения схемы.
Еще одно ключевое преимущество этих широкозонных полупроводников заключается в их способности работать при высоких температурах, что обеспечивает значительные преимущества в размерах и стоимости. Например, транзисторам не требуются большие радиаторы для рассеивания тепла, в отличие от кремниевых MOSFET-транзисторов, которым они необходимы для предотвращения потерь из-за более высокого сопротивления проводимости и повышенных температур. SiC превосходит GaN, предлагая возможность работы в условиях, выходящих за рамки возможностей кремниевых устройств. Это сделало SiC все более популярным выбором для схем в автомобильной, военной и буровой промышленности, поскольку его можно устанавливать рядом с моторным отсеком, тормозами или буровыми головками и сохранять функциональность при температурах до 200 °C. Чтобы выдерживать такие высокие температуры, эти устройства часто поставляются в виде открытых кристаллов для интеграции со специализированными высокотемпературными корпусами. Однако многие из них в широко используемых корпусах, таких как DPAK или TO-247, созданных Genesic Semiconductor, Littelfuse и OnSemi, среди прочих, работают при температурах перехода до 175 °C.
Интеллектуальное управление и способы более эффективного внедрения технологий GaN, SiC и смежныхтехнологий.
Высокие частоты переключения, характерные для полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной, позволяют разработчикам использовать новые методы управления, такие как матричное преобразование, которое использует вычисления пространственно-векторной модуляции для управления высокопроизводительными двигателями переменного тока в архитектуре, которая может быть реализована в более широком спектре систем питания в качестве альтернативы более высоким скоростям переключения традиционных топологий. Производительность драйвера затвора одинаково важна во всех этих быстродействующих схемных архитектурах. Помимо создания линейки силовых устройств CoolGaN и транзисторов и диодов CoolSiC, компания Infineon инвестировала в такие технологии, как EiceDriver. EiceDriver — это конструкция драйвера затвора, которая использует высокий уровень подавления синфазных помех, что позволяет использовать неизолированные топологии в более широком спектре приложений, тем самым снижая стоимость компонентов.
Потребность в интеллектуальном управлении стимулирует разработку высокоинтегрированных силовых устройств, объединяющих микроконтроллеры и силовые транзисторы, с использованием достижений в производстве на основе SiP-технологий. Компания STMicroelectronics недавно анонсировала инициативу STi2GaN, которая интегрирует силовые каскады на основе нитрида галлия (GaN) и логику управления с использованием BCD-чипов, а также контроллеры и схемы изоляции в единый SiP-блок. Тесная взаимосвязь этих элементов схемы помогает вывести схемы источников питания в мегагерцовый диапазон и уменьшить общую площадь печатной платы, что становится все более важным в конструкциях электромобилей, где многие компоненты должны быть собраны параллельно, а также в бытовых зарядных устройствах для аккумуляторов.
По мере углубления знаний о широкозонных материалах, их интеграция с кремниевыми схемами будет способствовать развитию самых разнообразных применений. Легко понять, почему многие традиционные кремниевые устройства заменяются во многих областях. Опытный технический дистрибьютор, такой как Farnell, может помочь инженерам разобраться, где технологии GaN, SiC и аналогичные технологии могут быть наиболее выгодными, а также как производители устройств развиваются, чтобы интегрировать их в новые области применения.
Клифф Ортмейер, руководитель глобального отдела технического маркетинга компании Farnell
