Semicondutores Wide-Bandgap: O Futuro da tecnologia SiC e GaN

A indústria de semicondutores fez avanços significativos nas últimas décadas, indo em direção a tamanhos menores e maiores eficiências. Materiais semicondutores de banda larga (WBG – Wide-Bandgap), como carbeto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN), são de interesse específico, permitindo melhorias significativas de desempenho em relação ao silício padrão atual.

Embora o silício seja um excelente semicondutor de uso geral, suas limitações ao lidar com altas tensões, temperatura e frequências de comutação estão bem documentadas. À medida que o mercado continua sua corrida por mais energia, a indústria está se afastando do silício em favor dos materiais semicondutores WBG, que são convenientes para aplicações de energia.

Este artigo destaca os benefícios do uso de semicondutores WBG SiC e GaN, analisa os atuais dispositivos e soluções de última geração e mostra como o SiC e o GaN podem ser um candidato forte e viável para futuras aplicações de sistemas e eletrônica de potência.

Introdução

As propriedades do material de banda larga permitem que os dispositivos operem em temperaturas extremas, densidades de energia excessivas, tensões elevadas e frequências mais altas, tornando-os perfeitos para uso em futuros sistemas eletrônicos. SiC e GaN são designados materiais semicondutores WBG com base na grande energia necessária para deslocar elétrons nesses materiais da banda de valência para a banda de condução. Para SiC, o valor é de cerca de 3,2 eV; para GaN, é 3,4 eV comparado a 1,1 eV para Si. A propriedade física do bandgap três vezes maior resulta em uma tensão de ruptura aplicável mais alta, atingindo até 1.700 volts em algumas aplicações.

Existe uma correlação direta entre o bandgap e o campo crítico de ruptura (elétrico) de um semicondutor. Os campos de quebra de GaN e SiC são relativamente semelhantes, com GaN apresentando um campo de quebra de 3,3 MV/cm, enquanto SiC tem um campo de quebra de 3,5 MV/cm. O silício tem um campo de ruptura de 0,3 MV/cm, indicando que GaN e SiC são quase dez vezes mais capazes de manter tensões mais altas. Esses campos de ruptura tornam os compostos significativamente mais bem equipados para gerenciar tensões mais altas e produzir correntes de fuga mais baixas.

A maior mobilidade eletrônica e a velocidade de saturação eletrônica do semicondutor WBG permitem uma maior frequência de operação. GaN exibe mobilidade eletrônica de 1.500cm^2/Vs em comparação com 1.450cm^2/Vs do silício. O SiC, no entanto, possui mobilidade eletrônica branda, aproximando-se de 900cm^2/Vs, tornando-os menos adequados para aplicações de comutação de alta velocidade. O GaN, com sua mobilidade eletrônica três vezes mais rápida que o SiC, é adequado para operações de frequência de comutação mais alta.

A maior condutividade térmica do SiC (5 W/cmK) do que GaN (1,3 W/cmK) ou Si (1,5 W/cmK) implica que os dispositivos SiC são superiores em condutância de calor e teoricamente podem operar em densidades de potência mais altas do que GaN ou Si . A maior condutividade térmica combinada com amplo bandgap e alto campo de ruptura crítica dá aos semicondutores SiC uma vantagem quando a alta potência é uma característica essencial desejável do dispositivo. A Figura 1 resume as propriedades físicas e elétricas dos materiais semicondutores SiC e GaN.

SiC e GaN atendem a diferentes aplicações de potência. Suas diferentes características determinam suas aplicações personalizadas. GaN está em demanda para aplicações de baixa potência e alta frequência, enquanto SiC é empregado em aplicações de alta potência e alta tensão.

Figura 1: Características do material SiC e GaN em comparação com o Silício

Benefícios

Embora os semicondutores WBG custem mais do que os dispositivos de silício, eles acabam se tornando mais competitivos com recursos de fabricação aprimorados e aplicações de mercado expandidas. As propriedades físicas e elétricas dos semicondutores SiC e GaN permitem que os dispositivos operem em tensões, frequências e temperaturas muito mais altas do que o silício convencional. Excluindo melhorias de desempenho, os benefícios do dispositivo baseado em WBG incluem:

  • Footprint muito menor e leve em comparação com dispositivos Si similares.
  • Requisitos de refrigeração reduzidos e componentes passivos menores, contribuindo para a redução geral dos custos do sistema.
  • Operações mais rápidas com maior frequência de comutação.
  • Eliminação das perdas de energia que ocorrem durante a conversão de energia.
  • Sistemas com consumo de energia e custo reduzidos no ciclo de vida.
  • Aumento da vida útil devido a perdas reduzidas e estresse térmico.
  • Dispositivos mais confiáveis ​​com maior eficiência do que seus “primos” baseados em silício.

Dispositivos SiC e Solução

Os dispositivos de potência SiC evoluíram de amostras de protótipos para produtos comercialmente disponíveis. Isso é evidente no mercado, que agora oferece diferentes dispositivos de potência SiC, desde componentes discretos até módulos de potência. Agora é possível encontrar diodos, JFETs, BJTs e MOSFETs feitos de SiC. Além disso, esses dispositivos estão disponíveis em diferentes tensões nominais de 600 V a 1,7 kV e classificações de corrente de 2,6 A a 325 A e além. Além disso, vários fabricantes agora produzem dispositivos de energia SiC, como Nexperia, Genesic, Infineon, onsemi, MICROCHIP, ROHM, STARPOWER, Ween Semiconductors, STMicroelectronics, Vishay, Wolfspeed e Littelfuse. Como resultado, a tecnologia WBG amadureceu a ponto de ser considerada uma substituição viável para componentes de Si.

Os diodos SiC são principalmente diodos Schottky (também conhecidos como diodos de barreira Schottky, ou SBDs). Os diodos SiC Schottky oferecem maior desempenho de comutação, eficiência e densidade de potência a custos de sistema reduzidos. Além disso, esses diodos fornecem recuperações reversas zero, baixa queda de tensão direta, estabilidade de corrente, capacidade de alta tensão de surto e coeficiente de temperatura positivo. O mercado agora atende a um amplo portfólio de diodos SiC com uma tensão de ruptura de 650V, 1200V e 1700V e uma classificação de corrente direta contínua (If) de 1A a 370A. Os encapsulamentos padrão são TO-247, TO-220 e SMD.

Os FETs SiC desdobram novas aplicações com maior potência e tensão mais alta. Como substitutos diretos para IGBTs e Si-MOSFETs, os SiC FETs apresentam capacidade de manuseio de baixa perda e alta temperatura, baixa resistência de estado ao longo da faixa de temperatura e baixas perdas de comutação. Os MOSFETs SiC, com tensões de ruptura mais altas, melhor resfriamento e resistência à temperatura, podem ser fisicamente compactos. Os IGBTs (transistores bipolares de gate isolado) são usados ​​principalmente para comutação de tensões acima de 600V, mas os materiais SiC tornam os MOSFETs utilizáveis ​​para correntes de 1700V e superiores. Os MOSFETs SiC também têm perdas de comutação significativamente menores do que os IGBTs e operam em frequências comparativamente altas.

SiC MOSFETs requerem drivers de porta SiC especiais para fornecer uma tensão negativa para a porta no estado de MOSFETs desligados e fornecer alta corrente de pulso de carga/descarga. Além disso, eles são suficientemente rápidos para operações de porta na faixa de nanossegundos. Prestar muita atenção ao design do driver de porta garante o desempenho ideal durante as transições de comutação e é essencial para maximizar essas vantagens inerentes dos SiC MOSFETs. Novos projetos em todas as áreas de conversão de energia, incluindo conversores AC-DC e DC-DC de alta potência, estão cada vez mais usando SiC FETs.

Além do mercado de componentes discretos, o consumidor agora pode encontrar uma grande variedade de módulos de potência SiC e placas de avaliação/desenvolvimento para diversas aplicações (como o driver do motor).

As empresas agora oferecem um portfólio para fácil seleção de acordo com as necessidades do cliente. A Infineon, para dar um exemplo, está revolucionando o mercado com seus produtos do portfólio SiC e GaN. A linha de produtos CoolSiC da empresa oferece Diodos SiC, MOSFETs, módulos híbridos e placas de avaliação com características de desempenho superiores. Este portfólio CoolSiC permite projetos de sistema extremamente eficientes e compactos que atendem às demandas futuras de geração, transmissão e consumo mais inteligentes e com melhor eficiência energética.

Aplicações

O WBG obteve valor de mercado pela primeira vez em 1907 com diodos emissores de luz de SiC comerciais irradiando elementos de cores diferentes. Os materiais semicondutores SiC e GaN contemporâneos demonstraram desempenho notável em setores como veículos elétricos (EVs)/EVs híbridos, energia renovável e 5G, com benefícios práticos para satisfazer a demanda do consumidor e da indústria. Outras aplicações em que a eletrônica de potência WBG alcançou economias de energia apreciáveis ​​incluem servidores de dados, adaptadores CA, inversores solares, fontes de alimentação, circuitos de carregamento e controle de rede. Além disso, os benefícios holísticos dos materiais WBG os tornam candidatos ideais para eletrônica de potência em ambientes hostis, como aplicações militares, automotivas, aeronáuticas e espaciais.

Figura 2. Posicionamento tecnológico de Si, SiC e GaN (Cortesia de imagem: Infineon)

A Figura 2 mostra as aplicações de sobreposição onde Si, SiC e GaN encontram uso com a escolha de percolação para densidade, eficiência e custo. Produtos à base de Si, como MOSFETs de superjunção ou IGBTs, podem ser usados ​​em uma ampla faixa de tensão (de algumas a várias centenas de volts) e em várias classes de potência. Em contraste, os produtos baseados em SiC encontram seu ponto ideal em classes de tensão acima de 650 V (ultrapassando os limites de silício e atingindo níveis de potência acima de 3 kV), e os dispositivos baseados em GaN são mais adequados para classes de tensão abaixo de 650 V. Ambos SiC e GaN são progressivamente melhores que Si à medida que a frequência de operação aumenta. Os requisitos de aplicação e os objetivos de projeto determinam a tecnologia escolhida. Os elementos semicondutores Si são uma solução econômica para a maioria dos requisitos contemporâneos de eficiência energética e densidade de potência, mas no caso de alguns requisitos de projeto específicos, como densidade térmica ou ultra-alta, os dispositivos SiC e GaN são a escolha ideal.

No futuro, espera-se que os produtos WBG melhorem ainda mais e, em última análise, substituam os dispositivos baseados em silício. No entanto, espera-se que a adoção do SiC seja um pouco mais rápida para aplicações específicas devido à sua facilidade de uso e transição relativamente fácil de MOSFETs e IGBTs de superjunção.

Contato da Newark no Brasil

Para mais informações e adquirir componentes contate a LATeRe , representante da Newark, pelo Telefone (11) 4066-9400 ou e-mail: vendas@laterebr.com.br 

* Texto originalmente publicado em: link

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