A fost nevoie de doar un deceniu pentru ca industria electronică să aleagă siliciul ca substrat principal după dezvoltarea inițială a tranzistorului, deschizând astfel calea spre dezvoltarea circuitului integrat (IC). Deși proprietățile sale nu sunt ideale pentru orice aplicație, disponibilitatea sa imediată, ușurința în procesare și performanța au fost suficiente pentru a face din siliciu (ca material) fundația unei industrii care valorează acum aproape jumătate de trilion de dolari în vânzări, în fiecare an.
De-a lungul deceniilor, industria a învățat foarte multe despre proprietățile cristaline ale siliciului, care au fost folosite pentru a menține Legea lui Moore pe drumul cel bun. De exemplu, ingineria prin deformare mecanică a devenit un element important al dezvoltării tranzistorului în urmă cu aproape 20 de ani. Aceasta utilizează straturi de materiale pentru a distorsiona local rețelele cristaline de siliciu cu scopul de a îmbunătăți mobilitatea purtătorilor electrici care trec prin acele canale. O astfel de inginerie a cristalelor a contribuit la reintroducerea în industrie a semiconductorilor care nu sunt din siliciu și a semiconductorilor compuși, care erau considerați prea dificili, scumpi sau fragili pentru a fi utilizați, în ciuda proprietăților lor electrice mai bune.
Procesele de fabricație și materialele sunt esențiale pentru progres
Nitrura de galiu (GaN), de exemplu, a fost studiată ca material pentru semiconductoare în urmă cu jumătate de secol, dar dispozitivele realizate cu acest material necesitau utilizarea unor substraturi de safir scumpe și fragile. În prezent, peliculele de GaN pot fi dezvoltate în mod fiabil și fără defecte pe suprafața unei plachete de siliciu. Acest lucru a deschis ușa către o gamă tot mai largă de dispozitive de înaltă performanță. În mod similar, îmbunătățirile aduse proceselor de fabricație au permis producția în serie a unor compuși de siliciu, cum ar fi carbura de siliciu (SiC), care este aproape la fel de dură ca diamantul.
Atât GaN, cât și SiC sunt materiale semiconductoare care dispun de benzi interzise între benzile de valență și de conducție de trei ori mai mari decât cele întâlnite la dispozitivele convenționale din siliciu. Acest lucru, precum și alte proprietăți ale acestora, le fac foarte potrivite pentru circuitele de mare putere. Materialele prezintă valori ale câmpului critic de zece ori mai mari decât cele ale dispozitivelor obișnuite din siliciu. Rezultatul este o tensiune de rupere mai mare care poate fi utilizată pentru a reduce dimensiunea și costul tranzistoarelor utilizate în sursele de alimentare și în alte circuite care au nevoie de abilitatea de a controla niveluri ridicate de tensiune și curent.
Datorită valorii ridicate a câmpului critic și a tensiunii de rupere, zona de drift a unei diode verticale sau a unui tranzistor poate fi făcută mult mai subțire folosind SiC decât cea a unui dispozitiv din siliciu. Acest lucru nu numai că duce la o reducere a rezistenței ON, ceea ce conduce la pierderi de putere semnificativ mai mici atunci când curentul trece prin dispozitiv, dar duce și la un timp de recuperare mai scurt, deoarece există mai puțini purtători minoritari care trebuie eliminați atunci când, de exemplu, o diodă este polarizată invers. Un dispozitiv precum WNSC021200 fabricat de WeEn Semiconductors are o sarcină recuperată de doar 10nC, mult mai mică decât cea întâlnită la diodele PiN tipice din siliciu.
Dimensiunea și mobilitatea ca factori cheie ai aplicațiilor viitoare
Pe de altă parte, dimensiunea mai mică a tranzistorului determină reducerea paraziților, cum ar fi capacitanța de poartă și de ieșire. Combinația de efecte se traduce prin frecvențe mai mari în sursele de alimentare în comutație și în circuitele similare. Dispozitivele GaN, de exemplu, pot suporta frecvențe de comutație cu mult peste 1 MHz. La aceste frecvențe, devine posibilă și utilizarea unor componente pasive mai mici, care sunt în general folosite pentru a netezi efectele tranzitorii în comutație. Rezultatul este o sursă de alimentare mai mică și mai eficientă.
Furnizori precum Power Integrations au profitat de caracteristicile GaN pentru a construi circuite integrate de comutație pentru surse de alimentare. Un exemplu este INN3276C-H204, un circuit integrat de comutație flyback offline cu switch integrat pe partea primară, care se potrivește aplicațiilor de încărcare a bateriilor la putere constantă. Dispozitivul suportă o putere de ieșire de până la 35W; alte produse din familia PowiGaN a companiei pot suporta puteri de ieșire de până la 100W fără a fi nevoie de un radiator.
Un alt atribut al GaN este mobilitatea purtătorilor, care este cu aproape 40% mai mare decât cea din siliciu. Mobilitatea ridicată rezultă din modul în care se formează un gaz de electroni 2D în interfețele dintre materialele componente, o caracteristică intrinsecă a tranzistoarelor cu mobilitate ridicată a electronilor (HEMT – High Electron Mobility Transistors) și care se regăsește în alte materiale, cum ar fi arsenura de galiu (GaAs – Gallium Arsenide). Această caracteristică de mobilitate ridicată a dus la utilizarea aplicațiilor GaN, cum ar fi stațiile de bază, precum și instrumentația științifică. Dispozitivele de la Nexperia sunt proiectate în mod special pentru acest sector de piață.
Dincolo de aplicațiile RF în comunicațiile celulare, există o intersecție tot mai mare între proiectarea RF și furnizarea de putere într-un domeniu în plină ascensiune – încărcarea wireless. Standardul AirFuel, de exemplu, prevede o frecvență de transmisie de 6,78 MHz. Dispozitive precum tranzistoarele de putere CoolGaN de la Infineon Technologies sunt foarte potrivite pentru topologiile de amplificare de clasă D și E care sunt utilizate în aceste aplicații.
Abilitatea tehnologiei SiC de a suporta frecvențe de comutație mai mari decât cele ale siliciului a dus la utilizarea acesteia în echipamentele medicale de înaltă tensiune, cum ar fi aparatele cu raze X, printre alte aplicații de gestionare a puterii. Comutația aproape instantanee suportată de MOSFET-urile SiC, cum ar fi cele din familia SCT3 de la ROHM, este sporită în seria xR de configurația cu patru- pini a capsulei sale TO-247 modificate. Acest design este utilizat în componente precum SCT3060ARC14, un MOSFET de 39A, 650V, cu scopul de a reduce pierderile de comutație cu până la 35% în comparație cu configurațiile convenționale ale capsulelor cu trei- pini. Utilizarea unei conexiuni a driverului de sursă, separată de cea a driverului de poartă, ajută la minimizarea inductanței parazite, care poate fi utilizată pentru a crește viteza de comutație a circuitului.
Un alt beneficiu cheie al acestor materiale semiconductoare cu bandă interzisă largă constă în abilitatea lor de a opera la temperaturi ridicate, aspect care atrage beneficii suplimentare în ceea ce privește dimensiunea și costurile. De exemplu, tranzistoarele nu au nevoie de radiatoare mari pentru a disipa căldura, lucru de care au nevoie MOSFET-urile din siliciu pentru a nu suferi pierderi din cauza rezistenței ON mai mari la temperaturi ridicate. SiC merge mai departe decât GaN prin faptul că oferă posibilitatea de a opera în condiții în care dispozitivele din siliciu nu o pot face. Acest lucru a permis ca SiC să devină o alegere din ce în ce mai populară pentru circuitele din aplicațiile auto, militare și de foraj: acestea pot fi montate aproape de camera motorului, lângă frâne sau capetele de foraj și vor fi în continuare funcționale atunci când temperaturile ating 200°C. Pentru a suporta temperaturile mai ridicate, aceste dispozitive sunt adesea livrate sub formă de bare-chip pentru a fi integrate în capsule special create pentru temperaturi ridicate. Cu toate acestea, multe dintre dispozitivele disponibile în capsule obișnuite, cum ar fi DPAK sau TO-247, fabricate de Genesic Semiconductor, Littelfuse, OnSemi și alții, vor funcționa cu temperaturi de joncțiune de până la 175°C.
Control inteligent și implementare optimă a tehnologiilor GaN, SiC și a celor conexe
Frecvențele ridicate de comutație permise de materialele semiconductoare cu bandă interzisă largă permit proiectanților să profite de scheme de control noi, cum ar fi conversia matricială. Aceasta utilizează modularea vectorială spațială folosită pentru controlul motoarelor de curent alternativ de înaltă performanță într-o arhitectură care poate fi implementată pe o gamă mai largă de surse de alimentare, ca alternativă la creșterea ratei de comutație a topologiilor mai convenționale. Performanța driverelor de poartă este la fel de importantă în toate aceste arhitecturi de circuite cu comutare rapidă. Pe lângă fabricarea gamei de dispozitive de putere CoolGaN și a tranzistoarelor și diodelor CoolSiC, Infineon a investit în tehnologii precum EiceDriver – un proiect de driver de poartă care utilizează niveluri ridicate de rejecție a modului comun pentru a permite utilizarea topologiilor neizolate într-o gamă mai largă de aplicații, ceea ce reduce costurile BoM.
Nevoia de control inteligent stimulează dezvoltarea de dispozitive de putere înalt integrate care reunesc microcontrolere și tranzistoare de putere, profitând de progresele înregistrate în producția de sisteme în pachet (SIP – System-in-Package). STMicroelectronics a anunțat recent inițiativa STi2GaN. Aceasta plasează etajele de putere GaN și logica de control implementată folosind BCD (Bipolar-CMOS-DMOS) împreună cu circuitele de comandă și de izolare, toate într-un singur SIP. Cuplarea strânsă a acestor elemente de circuit ajută la împingerea proiectelor de surse de putere mai departe în domeniul megahertzi, precum și la reducerea spațiului total al plăcii de circuit, ceea ce devine important în proiectele de automobile electrice, unde multe elemente trebuie asamblate în paralel, precum și în încărcătoarele de baterii pentru consumatori.
Pe măsură ce se îmbunătățește înțelegerea de către industrie a materialelor cu bandă interzisă largă, integrarea cu circuitele de siliciu va conduce la o serie de aplicații. Este ușor de înțeles de ce acestea înlocuiesc dispozitivele mai convenționale din siliciu în multe domenii. Un distribuitor tehnic cu experiență, precum Farnell, poate ghida inginerii cu privire la domeniile în care GaN, SiC și tehnologiile conexe pot fi utilizate cel mai bine și la modul în care foile de parcurs ale producătorilor de dispozitive evoluează pentru a le împinge în noi aplicații.
Autor:
Cliff Ortmeyer, Director Global de Marketing Tehnic, Farnell
https://ro.farnell.com