Transistor al carburo di silicio

I dispositivi di potenza in carburo di silicio sono parte integrante del miglioramento dell'efficienza energetica dei veicoli elettrici grazie alle eccellenti proprietà del materiale.

Il carburo di silicio nella sua forma pura si comporta come un isolante; tuttavia, se drogato con impurità (droganti), può trasformarsi in un semiconduttore elettronico. I droganti per questo uso includono il drogaggio di azoto o fosforo per l'uso di tipo n, mentre il drogaggio di alluminio, boro o gallio può trasformare il carburo di silicio in un materiale semiconduttore di tipo p.

Guasto ad alta tensione

I dispositivi a semiconduttore in carburo di silicio sono sempre più considerati un sostituto adeguato dei dispositivi in silicio nelle applicazioni di elettronica di potenza che comportano alte temperature o tensioni, in particolare quando si tratta di tensioni o temperature elevate. Ciò è dovuto all'intensità del campo elettrico di rottura eccezionalmente elevata, che consente di gestire flussi di corrente molto più elevati rispetto alle controparti in silicio, sopportando una tensione fino a 10 volte superiore rispetto ai MOSFET - ideale per i circuiti ad alta tensione utilizzati nei veicoli elettrici e nei satelliti.

I CNT si distinguono per il loro bandgap più ampio, circa tre volte superiore a quello del silicio (1,1eV), che consente agli elettroni di entrare più facilmente nella banda di conduzione per la conduzione dell'elettricità e rende meno probabili le correnti di dispersione della giunzione - attributi chiave nei dispositivi progettati per funzionare in modo affidabile a temperature più elevate.

Il carburo di silicio vanta una tensione di breakdown più elevata grazie allo strato di deplezione più sottile. Ciò consente il passaggio di un maggior numero di portatori liberi, aumentando la densità di corrente e consentendo transistor più piccoli che richiedono meno energia, aumentando l'efficienza e riducendo la generazione di calore.

Uno dei principali svantaggi dell'adozione della tecnologia del carburo di silicio è stato il suo costo relativamente elevato. Ma i ricercatori hanno sviluppato una tecnica poco costosa per la produzione di interruttori di potenza al carburo di silicio che rende questo materiale utilizzabile nelle applicazioni ad alta tensione.

Ciò è stato possibile grazie all'applicazione di una tecnica innovativa per combinare dispositivi unipolari e bipolari in un'unica struttura - nota come diodi pin-Schottky fusi o diodi MPS - che ha permesso di confrontare le caratteristiche tra giunzioni epitassiali e impiantate; i diodi epitassiali si sono dimostrati più stabili grazie alla maggiore resistenza alla corrente inversa ad alte temperature (RDS(ON)).

Il carburo di silicio potrebbe presto essere utilizzato in modo più diffuso per le applicazioni dell'elettronica di potenza, a beneficio sia dell'economia che dell'ambiente. Sebbene il SiC sia già utilizzato in alcune applicazioni, come gli emettitori di luce a LED e i rilevatori per le prime radio, il suo vasto potenziale significa che presto potrebbe essere presente ovunque, dai veicoli elettrici terrestri agli strumenti sui rover che esplorano Venere o alle sonde progettate per sopravvivere alle sue temperature estreme.

Alta densità di corrente

Il carburo di silicio è un materiale estremamente duro e denso con diverse caratteristiche che contribuiscono al suo successo come elemento nei dispositivi semiconduttori. Una di queste caratteristiche è l'elevata intensità del campo elettrico di breakdown, che consente ai dispositivi realizzati con questo materiale di tollerare densità di corrente molto più elevate rispetto a quelle altrimenti possibili con i dispositivi al silicio, rendendo possibili applicazioni ad alta potenza e tempi di commutazione più rapidi per carichi maggiori. Inoltre, la sua minore resistenza di accensione si traduce in una riduzione delle perdite, particolarmente vantaggiosa nella progettazione di convertitori di potenza o progetti simili.

I transistor al carburo di silicio sono caratterizzati da elevate tensioni di breakdown che consentono loro di funzionare a temperature più elevate rispetto ad altri semiconduttori, rendendoli molto utili in applicazioni ad alta temperatura come gli alimentatori per veicoli elettrici o le apparecchiature utilizzate nelle missioni spaziali. Contribuendo a ridurre la produzione di calore in questi dispositivi, possono migliorare l'efficienza e aumentare l'affidabilità.

Il carburo di silicio è da tempo riconosciuto come un materiale semiconduttore in grado di condurre l'elettricità se drogato con determinate impurità, ma i dispositivi di qualità commerciale realizzati con questo materiale sono stati realizzati solo di recente a causa della sua cristallinità che si forma in più di 150 politipi, rendendo la crescita adatta alla fabbricazione di dispositivi elettronici più impegnativa di quanto previsto in precedenza.

Per creare questi nuovi semiconduttori di potenza, è stata impiegata una tecnica di lavorazione unica. È stata ottenuta utilizzando fasci di ioni di carbonio seguiti da ossidazione termica o da entrambi i processi in tandem per ridurre la densità dei difetti di carbonio vacanti.

I dispositivi SiC sono tipicamente caratterizzati da una struttura a transistor unipolare con un anodo metallico o un diodo p+n montato sullo strato superiore e uno strato n (regione di blocco della tensione) collegato a un substrato a bassa resistenza che consente il passaggio della corrente in condizioni di polarizzazione positiva, mentre blocca tutta la corrente in condizioni di polarizzazione negativa. Questa disposizione consente il passaggio della corrente in caso di polarizzazione positiva, ma la impedisce completamente in caso di polarizzazione negativa.

Bassa resistenza di accensione

Il carburo di silicio (SiC) è noto come materiale abrasivo e componente utilizzato nella ceramica dei giubbotti antiproiettile, ma le sue proprietà di semiconduttore lo rendono anche un potenziale sostituto dei dispositivi a base di silicio nelle applicazioni di elettronica di potenza. I dispositivi SiC sono caratterizzati da elevate tensioni di blocco, tempi di commutazione rapidi e bassa resistenza di accensione che contribuiscono a ridurre le perdite quando vengono utilizzati in applicazioni come gli inverter di trazione dei veicoli elettrici e i caricabatterie di bordo.

Le caratteristiche elettriche del carburo di silicio sono da tempo riconosciute come superiori a quelle dei tradizionali semiconduttori di silicio. In particolare, questo materiale ad ampio bandgap presenta un punto di fusione estremamente elevato, una bassa costante dielettrica e un'intensità di campo di rottura estremamente elevata, oltre a valori elevati di velocità di deriva degli elettroni saturi e di conducibilità termica, che lo rendono un candidato privilegiato per l'uso nella produzione di dispositivi elettronici a semiconduttore.

Tuttavia, fino a poco tempo fa i dispositivi di qualità commerciale costruiti con il carburo di silicio rimanevano un obiettivo sfuggente a causa della sua vasta diversità di politipi; la creazione di grandi cristalli singoli e di film sottili necessari per la fabbricazione di MOSFET si è rivelata estremamente impegnativa.

Cree e altre aziende sono riuscite a fare un passo avanti nella tecnologia del carburo di silicio con l'introduzione della Gate-Injection. Questo processo consente di pilotare i dispositivi con una corrente di gate più bassa, riducendo così la dipendenza dalla temperatura della loro resistenza on-state e migliorando le prestazioni.

Per questo motivo, i MOSFET possono essere pilotati in modo sicuro a tensioni operative più elevate senza subire un aumento della resistenza di stato o effetti parassiti come la perdita di ossido di gate, offrendo vantaggi significativi rispetto agli IGBT e ai transistor bipolari convenzionali, che richiedono un declassamento quando vengono pilotati oltre i loro valori nominali.

UnitedSiC è entrata a far parte della famiglia di aziende Qorvo nel novembre 2021, fornendo FET al carburo di silicio a bassa resistenza di accensione, con una tensione nominale di 750V/6mOhm, che garantiscono guadagni di efficienza fondamentali per le applicazioni ad alta potenza come gli inverter di trazione dei veicoli elettrici (EV), la conversione di potenza industriale e i sistemi di energia rinnovabile. Questi FET consentono ai progettisti di ridurre le dimensioni, il peso e la complessità del sistema, migliorando al contempo la densità di potenza e l'affidabilità, caratteristiche fondamentali per la progettazione.

Ampio Bandgap

Il silicio è uno dei semiconduttori più utilizzati nei dispositivi elettronici. Tuttavia, poiché le sue limitazioni nelle applicazioni ad alta potenza si avvicinano ai limiti, due dispositivi semiconduttori composti che offrono soluzioni sono i transistor di potenza al nitruro di gallio (GaN) e al carburo di silicio (SiC), ognuno dei quali presenta vantaggi unici che li rendono eccellenti alternative agli IGBT e ai MOSFET di Si standard nei circuiti di conversione di potenza.

I semiconduttori composti sono caratterizzati da proprietà di bandgap ampio che consentono loro di operare a temperature molto più elevate rispetto alle loro controparti basate sul silicio. Il termine "ampio" si riferisce al gap energetico tra le bande di valenza e di conduzione, che è circa tre volte più ampio rispetto al gap di 1,12eV del silicio, consentendo ai dispositivi con questo gap più ampio di gestire tensioni e correnti più elevate senza problemi di interferenza da attivazione termica.

GaN e SiC possono operare a frequenze di commutazione più elevate, il che consente di ridurre le perdite di potenza e aumentare l'efficienza dei circuiti elettronici. GaN e SiC vantano anche livelli di tolleranza alla tensione dieci volte superiori a quelli del silicio, il che li rende adatti ad applicazioni come gli interruttori unipolari veloci.

Questi semiconduttori beneficiano di bandgap più ampi che consentono di produrre wafer più sottili rispetto ai tradizionali dispositivi al silicio, con conseguente riduzione della resistenza di stato e aumento del campo critico di breakdown dei dispositivi. Inoltre, questo campo critico più ampio consente a dispositivi di pari tensione nominale con dispositivi più piccoli di raggiungere una determinata tensione nominale in modo più efficiente dal punto di vista dei costi e di ridurre le dimensioni complessive dei convertitori di potenza.

Con l'aumento della domanda di veicoli elettrici, cresce anche la necessità di sistemi elettronici di potenza affidabili in grado di elaborare e convertire l'energia elettrica in energia utilizzabile. Mentre i semiconduttori a base di silicio hanno i loro limiti quando vengono utilizzati come componenti dei circuiti di conversione di potenza, i nuovi sviluppi hanno ampliato le possibilità offerte dai semiconduttori ad ampio bandgap.

Queste nuove tecnologie stanno rendendo i sistemi di conversione di potenza significativamente più piccoli e più efficienti che mai. Cree ha recentemente presentato il primo modulo di potenza a sei MOSFET SiC del settore confezionato in un contenitore standard da 45 mm, che riduce la perdita di potenza di ben 75%, aumentando al contempo la densità di potenza di 50% e riducendo il costo totale del sistema di 70%.