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XXIV Power POWER 24 - GENNAIO/FEBBRAIO 2021 A volte capita che, grazie a innovazioni e ricerche che si protraggono nel corso di diversi anni, un settore dell’in- dustria elettronica tragga significativi vantaggi in termi- ni tecnologici. Negli ultimi anni è stata l’elettronica di potenza il settore che ha potuto beneficiare delle inno- vazioni nel campo delle tecnologie di processo dei ma- teriali semiconduttori che hanno portato allo sviluppo dei dispositivi WBG (Wide BandGap - ad ampia banda proibita). Per parecchi decenni, è risaputo, il silicio è sta- to il materiale semiconduttore più utilizzato in assoluto. Le ricerche condotte su altri tipi di materiali semicon- duttori composti, in particolare il carburo di silicio (SiC - Silicon Carbide) e il nitruro di gallio (GaN - Gallium Nitride), hanno contribuito a dare un nuovo impulso ad applicazioni quali conversione di potenza e aziona- mento di motori grazie all’introduzione di dispositivi a semiconduttore più compatti, efficienti e affidabili che permettono di ottenere significativi miglioramenti a li- vello di prestazioni. Nel campo della fisica dei semiconduttori con il termi- ne banda proibita (bandgap) si fa riferimento a un in- tervallo di energia in un solido compreso tra la banda di valenza e la banda di conduzione dove non esistono stati elettrici. Per attraversare questa banda un elettrone deve possedere un’energia sufficiente, misurata in eV (elettronVolt), per raggiungere la banda di conduzione e creare in tal modo un flusso di corrente. I materiali ca- ratterizzati da una banda proibita relativamente ridotta sono i semiconduttori, mentre quelli con banda proibi- ta molto elevata sono gli isolatori. Nel caso del silicio, ad esempio, l’ampiezza della banda proibita è pari a 1,1 eV, mentre il nitruro di gallio e il carburo di silicio sono caratterizzati da valori di ampiezza della banda proibita molto simili, compresi tra 3,2 e 3,4 eV. Poiché l’ampiez- za della banda proibita di questi ultimi è superiore di un fattore pari a circa tre rispetto a quella del silicio, i semiconduttori di potenza come MOSFET e JFET realiz- zati utilizzando questi materiali composti risultano più adatti per l’utilizzo in applicazioni quali circuiti di com- mutazione e pilotaggio del gate per il controllo motore. Bande proibite di valore elevato permettono di ridurre le correnti di perdita, mentre un’elevata velocit à di sa- turazione degli elettronici consente il funzionamento a frequenze di commutazione più elevate. Tra le altre differenze significative dal punto di vista elettrico che intercorrono tra il silicio e i materiali WBG come il carburo di silicio e il nitruro di gallio si possono annoverare una tensione di rottura (breakdown voltage) del dielettrico decisamente superiore e una maggiore mobilit à degli elettroni. Poiché la tensione di rottura del silicio è pari a circa 0,3 MV/cm mentre i valori per SiC e GaN sono pari rispettivamente a 3,5 MV/cm e 3,3 MV/ cm, appare evidente che per i dispositivi ad ampia banda proibita il valore di questo parametri è circa dieci volte superiore rispetto a quello del silicio. La mobilit à degli elettroni, il parametro che indica la velocit à con la quale gli elettroni possono spostarsi nel materiale composto, risulta differente nel SiC e nel GaN, I semiconduttori WBG aprono nuove opportunità nelle applicazioni di potenza Le ricerche condotte su altri tipi di materiali semiconduttori composti, in particolare il carburo di silicio (SiC - Silicon Carbide) e il nitruro di gallio (GaN - Gallium Nitride), hanno contribuito a dare un nuovo impulso ad applicazioni quali conversione di potenza e azionamento di motori grazie all’introduzione di dispositivi a semiconduttore più compatti, efficienti e affidabili che permettono di ottenere significativi miglioramenti a livello di prestazioni Mark Patrick Mouser Electronics

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