Tecnología y dispositivos de SiC y GaN

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La industria de los semiconductores ha realizado avances significativos en las últimas décadas, girando en torno a tamaños más pequeños y mayores eficiencias. El interés particular en los materiales semiconductores de banda prohibida ancha (WBG), como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), ha permitido realizar mejoras significativas del rendimiento en relación con el estándar actual de silicio.

Aunque el silicio es un excelente semiconductor de uso general, cuando se trata de altas tensiones, temperaturas y frecuencias de conmutación, sus limitaciones están bien documentadas. En la carrera del mercado hacia una mayor potencia, la industria se aleja de forma acelerada del silicio en favor de los materiales semiconductores de banda prohibida ancha (WBG) que son convenientes para las aplicaciones de potencia.

Este artículo destaca las ventajas de usar semiconductores WBG de SiC y GaN, revisa el estado actual de los dispositivos y las soluciones, y muestra cómo el SiC y el GaN pueden ser candidatos fuertes y viables para las futuras aplicaciones de sistemas y electrónica de potencia.

Introducción

Las propiedades de los materiales de banda prohibida ancha permiten que los dispositivos funcionen a temperaturas extremas, densidades de potencia excesivas, tensiones elevadas y frecuencias más altas, lo que los hace perfectos para futuros sistemas electrónicos. El SiC y el GaN se conocen como materiales semiconductores WBG debido a la gran energía necesaria para desplazar electrones de la banda de valencia a la de conducción en estos materiales. Para el SiC, la cifra es de cerca de 3,2 eV; para el GaN, es de 3,4 eV en comparación con los 1,1 eV del Si. La propiedad física de banda prohibida es tres veces más ancha y tiene como resultado una mayor tensión de ruptura aplicable que alcanza hasta 1.700 voltios en algunas aplicaciones.

Existe una correlación directa entre la banda prohibida y el campo (eléctrico) crítico de ruptura de un semiconductor. Los campos de ruptura del GaN y el SiC son relativamente similares; el GaN tiene un campo de ruptura de 3,3 MV/cm, mientras que el SiC tiene un campo de ruptura de 3,5 MV/cm. El silicio tiene un campo de ruptura de 0,3 MV/cm, lo que indica que el GaN y el SiC tienen una capacidad casi diez veces mayor de mantener tensiones más altas. Estos campos de ruptura hacen que los compuestos estén significativamente mejor equipados para gestionar tensiones más altas y producir corrientes de fuga más bajas.

La mayor movilidad y la velocidad de saturación de los electrones del semiconductor WBG permiten una mayor frecuencia de funcionamiento. El GaN presenta una movilidad de electrones de 1.500cm^2/Vs frente a los 1.450cm^2/Vs del silicio. El SiC, sin embargo, tiene una movilidad de electrones cercana a los 900cm^2/Vs, lo que los hace menos adecuados para aplicaciones de conmutación de alta velocidad. El GaN, con una movilidad de electrones tres veces más rápida que la del SiC, se adapta a operaciones de mayor frecuencia de conmutación.

La mayor conductividad térmica del SiC (5 W/cmK) en relación con la del GaN (1,3 W/cmK) o el Si (1,5 W/cmK) implica que los dispositivos de SiC tienen mejor conductividad térmica y pueden funcionar teóricamente a densidades de potencia más elevadas que los de GaN o Si. La mayor conductividad térmica, combinada con una banda prohibida ancha y un elevado campo crítico de ruptura, da a los semiconductores de SiC la ventaja cuando los dispositivos requieren alta potencia. La Figura 1 resume las propiedades físicas y eléctricas de los materiales semiconductores SiC y GaN.

El SiC y el GaN sirven para diferentes aplicaciones de potencia. Sus diferentes características determinan sus aplicaciones a medida. El GaN se requiere en aplicaciones de baja potencia y alta frecuencia, mientras que el SiC se emplea en aplicaciones de alta potencia y alta tensión.

Figura 1: Características de los materiales SiC y GaN en comparación con el Silicio

Ventajas

Aunque los semiconductores WBG cuestan más que los dispositivos de silicio, acaban siendo más competitivos con la mejora de las capacidades de fabricación y la ampliación de las aplicaciones de mercado. Las propiedades físicas y eléctricas de los semiconductores SiC y GaN permiten que los dispositivos funcionen a tensiones, frecuencias y temperaturas mucho más elevadas que los de silicio convencionales. Excluyendo las mejoras de rendimiento, las ventajas de los dispositivos basados en WBG incluyen:

Ocupan mucho menos espacio y son más ligeros que los dispositivos de Si comparables.
Menores requisitos de refrigeración y componentes pasivos más pequeños, lo que contribuye a reducir los costes generales del sistema.
Operaciones más rápidas con una mayor frecuencia de conmutación.
Eliminación de las pérdidas de potencia que se producen durante la conversión de energía.
Sistemas con coste y uso energético del ciclo de vida reducidos.
Mayor vida útil gracias a la reducción en las pérdidas y el estrés térmico.
Dispositivos más fiables y con mayor eficacia que dispositivos similares basados en silicio.

Dispositivos y soluciones de SiC:

Los dispositivos de potencia de SiC han evolucionado de muestras de prototipos a productos disponibles en el mercado. Esto es evidente un el mercado que ahora ofrece diferentes dispositivos de potencia de SiC, desde componentes discretos hasta módulos de potencia. Ahora es posible encontrar diodos, JFET, BJT y MOSFET fabricados con SiC. Además, estos dispositivos están disponibles en diferentes tensiones nominales de 600 V a 1,7 kV y corrientes nominales de 2,6 A a 325 A y superiores. Además, varios fabricantes, como Nexperia, Genesic, Infineon, onsemi, MICROCHIP, ROHM, STARPOWER, Ween Semiconductors, STMicroelectronics, Vishay, Wolfspeed y Littelfuse, producen actualmente dispositivos de potencia de SiC. El resultado es la maduración de la tecnología WBG hasta el punto de considerarse un sustituto viable de los componentes de Si.

Los diodos de SiC son en su mayoría diodos Schottky (también conocidos como diodos de barrera Schottky o SBD). Los diodos Schottky de SiC ofrecen mayor rendimiento de conmutación, eficiencia y densidad de potencia con costes de sistema reducidos. Además, estos diodos ofrecen recuperaciones inversas nulas, baja caída de tensión directa, estabilidad de corriente, alta capacidad de sobretensión y coeficiente de temperatura positivo. El mercado ofrece ahora una amplia cartera de diodos de SiC con tensiones de ruptura de 650 V, 1200 V y 1700 V y corriente continua directa (If) de 1 A a 370 A. Los encapsulados estándar son TO-247, TO-220 y SMD.

Los FET de SiC despliegan nuevas aplicaciones a mayor potencia y mayor tensión. Como sustitutos directos de los IGBT y los MOSFET de Si, los FET de SiC presentan bajas pérdidas, capacidad de manejo a altas temperaturas, baja resistencia en estado encendido en todo el rango de temperaturas y bajas pérdidas de conmutación. Como resultado, los MOSFET de SiC, con tensiones de ruptura más altas, mejor refrigeración y resistencia a la temperatura, pueden hacerse compactos físicamente. Los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) se utilizan principalmente para tensiones de conmutación superiores a 600 V, pero los materiales de SiC hacen que los MOSFET puedan utilizarse hasta 1700 V y corrientes superiores. Los MOSFET de SiC también tienen pérdidas de conmutación significativamente menores que los IGBT y funcionan a frecuencias comparativamente altas.

Los MOSFET de SiC requieren controladores de puerta de SiC especiales para proporcionar una tensión negativa a la puerta en el estado de apagado del MOSFET y suministrar una corriente de pulso de carga/descarga elevada. Además, son suficientemente rápidos para operaciones de puerta en el rango de nanosegundos. Prestar especial atención al diseño del controlador de puerta garantiza un rendimiento óptimo durante las transiciones de conmutación y es esencial para maximizar estas ventajas inherentes de los MOSFET de SiC. Los nuevos diseños en todas las áreas de conversión de potencia, incluidos los convertidores CA-CC y CC-CCde alta potencia, usan cada vez más los FET de SiC.

Además del mercado de componentes discretos, el consumidor puede encontrar ahora una amplia variedad de módulos de alimentación de SiC y placas de evaluación/desarrollo para diversas aplicaciones (como controladores de motores).

Las empresas ofrecen ahora una cartera de fácil selección según las necesidades del cliente. Infineon, por ejemplo, está revolucionando el mercado con su cartera de productos de SiC y GaN. La gama de productos CoolSiC de la empresa ofrece diodos de SiC, MOSFET, módulos híbridos y placas de evaluación con características de rendimiento superiores. Esta cartera CoolSiC hace posibles diseños de sistemas extremadamente eficientes y compactos que satisfacen las demandas futuras de generación, transmisión y consumo de energía más inteligentes y eficientes.

Aplicaciones

El WBG se valorizó en el mercado por primera vez en 1907 con diodos emisores de luz de SiC comerciales que irradiaban diferentes elementos de color. Los materiales semiconductores contemporáneos SiC y GaN han demostrado un rendimiento destacado en sectores como los vehículos eléctricos (VE) e híbridos, las energías renovables y la 5G, con ventajas prácticas para satisfacer la demanda de los consumidores y la industria. Otras aplicaciones en las que la electrónica de potencia WBG ha logrado un ahorro energético considerable son los servidores de datos, los adaptadores CA, los inversores solares, las fuentes de alimentación, los circuitos de carga y el control de la red eléctrica. Además, las ventajas integrales de los materiales WBG los convierten en los candidatos ideales para la electrónica de potencia en entornos difíciles, como las aplicaciones militares, de automoción, aeronáuticas y espaciales.

Figura 2. Posicionamiento tecnológico del Si, SiC y GaN (imagen por cortesía de: Infineon)

La Figura 2 muestra el traslapo de las aplicaciones que usan Si, SiC y GaN, y cómo la opción se reduce a su densidad, eficiencia y coste. Los productos basados en Si, como los MOSFET de superunión o los IGBT, pueden utilizarse en una amplia gama de tensiones (de unos pocos a varios cientos de voltios) y en varias clases de potencia. Por el contrario, los productos basados en SiC son ideales para clases de tensión iguales o superiores a 650 V (superando los límites del silicio y alcanzando niveles de potencia superiores a 3 kV), y los dispositivos basados en GaN son más adecuados para las clases de tensión inferiores a 650 V. Tanto el SiC como el GaN son progresivamente mejores que el Si a medida que aumenta la frecuencia de funcionamiento. Los requisitos de la aplicación y los objetivos del diseño determinan la tecnología preferida. Los elementos semiconductores de Si son una solución rentable para la mayoría de los requisitos actuales de eficiencia energética y densidad de potencia, pero en el caso de algunos requisitos de diseño específicos, como la densidad térmica o muy elevada, los dispositivos de SiC y GaN son la elección óptima.

En el futuro, se espera que los productos WBG mejoren aún más y acaben sustituyendo a los dispositivos basados en silicio. Sin embargo, se espera que la adopción del SiC sea un poco más rápida para aplicaciones específicas debido a su facilidad de uso y a la transición relativamente sencilla de los MOSFET de superunión y los IGBT.