Dispositivi e tecnologia SiC e GaN

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Negli ultimi decenni l’industria dei semiconduttori ha fatto passi da gigante, orientandosi verso dimensioni più piccole ed efficienze maggiori. I materiali per semiconduttori ad ampio bandgap (WBG), come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), sono di particolare interesse, in quanto hanno permesso di migliorare notevolmente le prestazioni rispetto all’attuale silicio standard.

Sebbene il silicio sia un semiconduttore eccellente per uso generale, i suoi limiti quando si tratta di alte tensioni, temperature e frequenze di commutazione sono ben documentati. Poiché il mercato continua la sua corsa verso una potenza maggiore, il settore sta accelerando l’abbandono del silicio a favore dei materiali semiconduttori WBG adatti alle applicazioni di potenza.

Questo articolo evidenzia i vantaggi dell’uso dei semiconduttori WBG SiC e GaN, passa in rassegna i dispositivi e le soluzioni attualmente all’avanguardia e mostra come SiC e GaN possano essere candidati forti e validi per le future applicazioni dell’elettronica di potenza e dei sistemi.

Introduzione

Le proprietà dei materiali ad ampio bandgap consentono ai dispositivi di operare a temperature estreme, densità di potenza eccessive, tensioni elevate e frequenze più elevate, rendendoli perfetti per l’uso nei futuri sistemi elettronici. Il SiC e il GaN sono designati materiali semiconduttori WBG in base alla grande energia richiesta per spostare gli elettroni in questi materiali dalla banda di valenza a quella di conduzione. Per il SiC, la cifra è di circa 3,2 eV; per il GaN, è di 3,4 eV rispetto a 1,1 eV per il Si. La proprietà fisica del bandgap tre volte più ampio si traduce in una tensione di breakdown applicabile più elevata, che in alcune applicazioni raggiunge i 1.700 volt.

Esiste una correlazione diretta tra il bandgap e il campo critico di breakdown (elettrico) di un semiconduttore. I campi di breakdown del GaN e del SiC sono relativamente simili: il GaN vanta un campo di breakdown di 3,3 MV/cm, mentre il SiC ha un campo di breakdown di 3,5 MV/cm. Il silicio ha un campo di breakdown di 0,3 MV/cm, il che indica che GaN e SiC sono quasi dieci volte più capaci di mantenere tensioni più elevate. Questi campi di breakdown rendono i composti molto più adatti a gestire tensioni più elevate e a produrre correnti di dispersione più basse.

La maggiore mobilità degli elettroni e la velocità di saturazione degli elettroni del semiconduttore WBG consentono una frequenza di funzionamento più elevata. Il GaN presenta una mobilità degli elettroni di 1.500 cm^2/Vs rispetto ai 1.450 cm^2/Vs del silicio. Il SiC, invece, ha una mobilità degli elettroni modesta, che si avvicina ai 900cm^2/Vs, rendendolo meno adatto alle applicazioni di commutazione ad alta velocità. Il GaN, con una mobilità degli elettroni tre volte superiore a quella del SiC, si adatta alle operazioni a più alta frequenza di commutazione.

La maggiore conduttività termica del SiC (5 W/cmK) rispetto al GaN (1,3 W/cmK) o al Si (1,5 W/cmK) implica che i dispositivi SiC sono superiori in termini di conduttività termica e possono teoricamente funzionare a densità di potenza più elevate rispetto al GaN o al Si. La maggiore conduttività termica, combinata con l’ampio bandgap e l’elevato campo critico di breakdown, conferisce ai semiconduttori SiC un vantaggio quando l’alta potenza è una caratteristica chiave del dispositivo. La Figura 1 riassume le proprietà fisiche ed elettriche dei semiconduttori SiC e GaN.

SiC e GaN servono per applicazioni di potenza diverse. Le loro diverse caratteristiche determinano le loro applicazioni personalizzate. Il GaN è richiesto per applicazioni a bassa potenza e ad alta frequenza, mentre il SiC è impiegato in applicazioni ad alta potenza e ad alta tensione.

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Figura 1: Caratteristiche dei materiali SiC e GaN rispetto al silicio

Benefici

Sebbene i semiconduttori WBG costino di più rispetto ai dispositivi al silicio, alla fine diventano più competitivi con il miglioramento delle capacità produttive e l’ampliamento delle applicazioni di mercato. Le proprietà fisiche ed elettriche dei semiconduttori SiC e GaN consentono ai dispositivi di funzionare a tensioni, frequenze e temperature molto più elevate rispetto al silicio convenzionale. Escludendo i miglioramenti delle prestazioni, i vantaggi dei dispositivi basati su WBG includono:

Ingombro e peso molto più ridotti rispetto a dispositivi simili in silicio.
Riduzione dei requisiti di raffreddamento e dei componenti passivi, che contribuiscono a ridurre i costi complessivi del sistema.
Operazioni più veloci con una frequenza di commutazione più elevata.
Eliminazione delle perdite di potenza che si verificano durante la conversione di potenza.
Sistemi con consumi energetici e costi ridotti nel ciclo di vita.
Aumento della durata di vita grazie alla riduzione delle perdite e dello stress termico.
Dispositivi più affidabili con un’efficienza superiore rispetto ai loro cugini basati sul silicio.

Dispositivi e soluzioni SiC:

I dispositivi di potenza SiC si sono evoluti da campioni prototipo a prodotti disponibili in commercio. Ciò è evidente dal mercato, che ora offre diversi dispositivi di potenza SiC, dai componenti discreti ai moduli di potenza. Ora è possibile trovare diodi, JFET, BJT e MOSFET realizzati in SiC. Inoltre, questi dispositivi sono disponibili con tensioni nominali diverse, da 600 V a 1,7 kV, e correnti nominali da 2,6A a 325A e oltre. Inoltre, diversi produttori attualmente producono dispositivi di potenza SiC, come Nexperia, Genesic, Infineon, onsemi, MICROCHIP, ROHM, STARPOWER, Ween Semiconductors, STMicroelectronics, Vishay, Wolfspeed e Littelfuse. Di conseguenza, la tecnologia WBG è maturata al punto da essere considerata un valido sostituto dei componenti in silicio.

I diodi SiC sono per lo più diodi Schottky (detti anche diodi a barriera Schottky o SBD). I diodi SiC Schottky offrono prestazioni di commutazione, efficienza e densità di potenza superiori a costi di sistema ridotti. Inoltre, questi diodi offrono recuperi inversi nulli, bassa caduta di tensione in avanti, stabilità di corrente, elevata capacità di sovratensione e un coefficiente di temperatura positivo. Il mercato offre un’ampia gamma di diodi SiC con una tensione di rottura di 650V, 1200V e 1700V e una corrente di andata continua (If) da 1A a 370A. I contenitori standard sono TO-247, TO-220 e SMD.

I FET SiC aprono nuove applicazioni con potenze e tensioni maggiori. Come sostituti diretti degli IGBT e dei MOSFET SiC, i FET SiC sono caratterizzati da una capacità di gestione a basse perdite e ad alte temperature, da una bassa resistenza on-state nell’intervallo di temperatura e da basse perdite di commutazione. I MOSFET SiC, con tensioni di breakdown più elevate, migliore raffreddamento e resistenza alla temperatura, possono essere resi fisicamente compatti. Gli IGBT (transistor bipolari a gate isolato) sono utilizzati soprattutto per tensioni di commutazione superiori a 600 V, ma i materiali SiC rendono i MOSFET utilizzabili fino a 1700 V e correnti più elevate. I MOSFET SiC presentano inoltre perdite di commutazione significativamente inferiori rispetto agli IGBT e funzionano a frequenze relativamente elevate.

I MOSFET SiC MOSFET richiedono speciali driver di gate SiC per fornire una tensione negativa al gate nello stato di spegnimento dei MOSFET e fornire un’elevata corrente di carica/scarica a impulsi. Inoltre, sono sufficientemente veloci per operazioni di gate nell’ordine dei nanosecondi. Prestare molta attenzione alla progettazione del driver del gate garantisce prestazioni ottimali durante le transizioni di commutazione ed è essenziale per massimizzare questi vantaggi intrinseci dei MOSFET SiC. I nuovi progetti in tutti i settori della conversione di potenza, compresi i convertitori AC-DC e DC-DC ad alta potenza, utilizzano sempre più spesso i FET SiC.

Oltre al mercato dei componenti discreti, il consumatore può ora trovare un'ampia varietà di moduli di potenza SiC e schede di valutazione/sviluppo per varie applicazioni (come il driver del motore).

Le aziende ora offrono un portafoglio per una facile selezione secondo le esigenze del cliente. Infineon, per fare un esempio, sta rivoluzionando il mercato con i suoi prodotti SiC e GaN. La gamma di prodotti CoolSiC dell’azienda offre diodi SiC, MOSFET, moduli ibridi e schede di valutazione con caratteristiche prestazionali superiori. Questo portafoglio CoolSiC consente di realizzare progetti di sistemi estremamente efficienti e compatti, che soddisfano le future esigenze di una generazione, trasmissione e consumo di energia più intelligenti e più efficienti.

Applicazioni

Il WBG ha ottenuto il primo valore di mercato nel 1907 con i diodi luminosi commerciali in SiC che irradiano elementi di colore diverso. I materiali semiconduttori SiC e GaN contemporanei hanno dimostrato prestazioni notevoli in settori come i veicoli elettrici (EV)/EV ibridi, le energie rinnovabili e il 5G, con vantaggi pratici per soddisfare la domanda dei consumatori e dell’industria. Altre applicazioni in cui l’elettronica di potenza WBG ha ottenuto risparmi energetici apprezzabili includono server di dati, adattatori CA, inverter solari, alimentatori, circuiti di ricarica e controllo della rete. Inoltre, i vantaggi olistici dei materiali WBG li rendono candidati ideali per l’elettronica di potenza in ambienti difficili, come le applicazioni militari, automobilistiche, aeronautiche e spaziali.

Figura 2. Posizionamento tecnologico di Si, SiC e GaN (Immagine per gentile concessione: Infineon)

La Figura 2 mostra la sovrapposizione di applicazioni in cui trovano impiego Si, SiC e GaN, con una scelta che si riduce alla densità, all’efficienza e al costo. I prodotti basati sul Si, come i MOSFET a supergiunzione o gli IGBT, possono essere utilizzati in un’ampia gamma di tensioni (da poche a diverse centinaia di volt) e in diverse classi di potenza. Al contrario, i prodotti basati su SiC trovano il loro punto ideale nelle classi di tensione a partire da 650 V (superando i limiti del silicio e raggiungendo livelli di potenza superiori a 3 kV), mentre i dispositivi basati su GaN sono più adatti alle classi di tensione inferiori a 650 V. Sia SiC che GaN sono progressivamente migliori di Si con l’aumento della frequenza operativa. I requisiti applicativi e gli obiettivi di progettazione determinano la tecnologia da scegliere. Gli elementi a semiconduttore Si sono una soluzione economica per gran parte dei requisiti contemporanei di efficienza energetica e densità di potenza, ma nel caso di alcuni requisiti specifici di progettazione, come quelli termici o di altissima densità, i dispositivi SiC e GaN sono la scelta ottimale.

In futuro, si prevede che i prodotti WBG miglioreranno ulteriormente e finiranno per sostituire i dispositivi basati sul silicio. Tuttavia, l’adozione del SiC dovrebbe essere un po’ più rapida per applicazioni specifiche, grazie alla sua facilità d’uso e alla transizione relativamente semplice dai MOSFET a supergiunzione e dagli IGBT.