A short article on wide band gap semiconductor in the power application segment

1. “C’era una volta il Germanio …” La nostra storia
potrebbe cominciare da questo primo materiale
semiconduttore che fu utilizzato nei laboratori
Bell per realizzare il primo transistore. Ma già
negli anni ’70 il Germanio venne abbandonato e
sostituito dal silicio e del primo rimase solo il
ricordo. Da allora ad oggi il Si ha percorso tanta
strada, così tanta che forse si avvicina al suo
capolinea e dovrà lasciare spazio a nuovi
materiali semiconduttori definiti Wide Band Gap
(WBG). SiC (Silicon Carbide) e GaN (Gallium
Nitride) sono due semiconduttori della famiglia
WBG che si stanno facendo avanti in modo
prepotente. Nelle applicazioni di “potenza” e non
solo!
Wide Band Gap
In tutti gli elementi allo stato solido gli elettroni,
in situazione stazionaria, possono trovarsi ad un
livello energetico che è quello che lo vede
normalmente legato al suo nucleo – banda di
valenza – o in uno stato energetico più elevato
che gli consente di muoversi pressoché
liberamente – banda di conduzione.
Il gap energetico tra banda di valenza e
conduzione è utilizzato per classificare i materiali
in merito alle caratteristiche elettroniche: si
considerano conduttori quelli che esibiscono
bande sovrapposte o con un piccolissimo gap,
mentre sono definiti isolanti quelli che
presentano un'ampia zona interdetta. A metà
strada si collocano i semiconduttori, simili agli
isolanti, ma con una banda interdetta
relativamente poco ampia.
Si, SIC e GaN sono semiconduttori ma mentre il
primo ha una banda proibita di 1,12 eV
(elettronVolt) SiC e GaN hanno bande proibite
relativamente più ampie (wide) rispettivamente
di 2,86 e di 3,4 eV (vedi figura 1). Da qui la
definizione di semiconduttori wide band gap.
Il grafico mostra anche altri parametri elettrici di
questi tre materiali che sono determinanti nel
definirne le potenzialità applicative.
Il primo è relativo alla mobilità degli elettroni,
ovvero alla velocità con cui le particelle cariche si
muovono quando sollecitate da un campo
elettrico. La maggiore mobilità degli elettroni in
SiC e GaN rispetto al Silicio li rende in
grado di eseguire commutazioni più
veloci poiché le cariche tipicamente
accumulate nelle giunzioni si possono
disperdere più rapidamente.
Il punto di fusione più elevato ma
soprattutto una migliore conducibilità
termica del SiC rendono questo materiale
in grado di operare a temperature più
elevate rispetto al silicio. Infine una
banda proibita più ampia insieme a una
tensione di rottura decisamente più
elevata rendono questi semiconduttori in
grado di operare a tensioni più elevate di
quanto non possa fare il Silicio.
L’impatto nelle applicazioni di potenza
Le caratteristiche menzionate si
traducono, per i dispositivi WBG, nei
seguenti tre punti:
0
1
2
3
4
5
Campo
Elettrico
[MV/cm]
Conducibilità
Termica
[W/cm•°C]
Punto di
Fusione
[x1000 °C]
Mobilità
Elettroni
[x10^7 cm/s]
Energiadi
Gap [eV]
Si
SiC
GaN
Frequenzadi commutazione
elevata
Figura 1 • Parametri elettrici di Si, SiC e GaN a confronto.
Wide Band Gap: una rivoluzione già iniziata
Carburo di Silicio (SiC) e Nitruro di Gallio (GaN) sono i semiconduttori che si stanno preparando a
sostituire il Silicio nella applicazioni di potenza, … ma come il Silicio dovranno ancora fare tanta strada.

2. 1. Consumi e costi ridotti: poiché i
semiconduttori WBG sono più efficienti di
quelli al Si si dissipa meno energia in calore
con il risultato di avere dimensioni più ridotte
dei sistemi e quindi costi più contenuti.
2. Più elevate densità di potenza (volumi più
ridotti): frequenze di commutazione e
temperature operative più elevate di quelle
del Si necessitano di meno impegno sul
fronte del raffreddamento (dissipatori più
compatti).
3. Frequenze di commutazione più elevate
consentono induttanze e condensatori più
piccoli. Induttanze e capacità scalano con la
frequenza, un aumento di 10x della
frequenza porta una diminuzione di 10x dei
valori di induttanze e capacità.
Gli analisti ci credono: 3,7 miliardi nel 2025.
Secondo IHS “il mercato emergente dei
semiconduttori di Potenza in tecnologia SiC e GaN
è previsto crescere e superare la soglia del
miliardo di dollari in cinque anni spinto dalla
domanda di veicoli ibridi ed elettrici, alimentatori
e inverter per il fotovoltaico. Le vendite di SiC e
GaN crescerà ancora per arrivare poi a 3,7
miliardi di dollari nel 2025 con una crescita media
annua (CAGR) del 33% partendo dai 210 milioni
del 2015.”
I diodi Schottky SiC sono sul mercato ormai da più
di quindici anni mentre l’introduzione di MOSFET,
JFET (Junction-gate Field-Effect Transistors), BJT
(Bipolar Junction Transistors) sono di
introduzione più recente e se i primi diodi erano
diffusi su fette da due pollici oggi la maggior
parte della produzione è su wafer da sei pollici.
MOSFET GaN sono apparsi sul mercato
abbastanza recentemente ma con un elevato
potenziale di riduzione dei costi. Questo è reso
possibile dal fatto che la crescita epitassiale del
GaN può essere fatta su substrati di Silicio che
sono più grandi (fino a 8 pollici) e decisamente
meno costosi.
Per il 2020 gli analisti si aspettano che i MOSFET
GaN raggiungano la parità con quelli al Silicio di
uguali prestazioni.
I partecipanti alla gara vedono
come leader Cree Power, oggi
Wolfspeed, Toyota, GE, Infineon
(che ha acquisito International
Rectifier), STMicroelectronics e
Rohm insieme a tanti altri.
Il posizionamento
Il grafico di figura 2, sviluppato
da Yole Developpement, mostra
in un colpo d’occhio come le
due nuove tecnologie GaN e SiC
si stanno posizionando nelle
applicazioni di potenza.
Una prima distinzione
significativa tra GaN e SiC è
legata al range di tensione in cui
i due possono operare: il GaN può operare fino a
600 volt ed è in questa area che si appresta ad
aggredire la fascia alta dei prodotti che fino ad
oggi si rivolgevano ai MOSFET Super Junction. Ma
al diminuire dei prezzi questa copertura tenderà
ovviamente ad allargarsi verso il basso.
La tecnologia SiC che vede già componenti in
grado di operare a 1200 e 1700 volt, con
promesse di tensioni anche superiori, si appresta
a coprire la fascia alta dei prodotti per i settori
industriali, dell’energia e dei trasporti scalzando
gli IGBT che fino ad oggi hanno colonizzato questi
settori.
MOSFET
TRIAC
Bipolar
GaN GaN
IGBT
SiC
Thyristor
IGCT
….
ProductRange
200V 600V >3300V1200V
Figura 2 • Posizionamento delle diverse tecnologie per la potenza
Cortesia
Yole Developpement