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L’esempio della tecnologia super- giunzione MDmesh di STMicroelectronics Transistori di potenza in silicio: l’innovazione è ancora possibile? Filippo Di Giovanni Strategic Marketing, Innovation and Key Programs Manager – Power Transistor Macro Division STMicroelectronics, Italy Sin da quando i transistori a stato solido hanno sostituito i tubi a vuoto, l’industria dei semiconduttori ha realizzato dei progressi notevoli che hanno cambiato il nostro modo di vivere. Senza tali innovazioni, non ci sarebbe possibile lavorare a distanza o rimanere connessi anche durante i confinamenti che si sono resi necessari nel periodo della pandemia. Come esempio basti considerare l’aumento vertiginoso della capacità di calcolo dei microprocessori resa possibile dal numero crescente di transistori impacchettati in una singola piastrina di silicio (chip). La famosa legge empi- rica di Moore, secondo la quale la densità di integrazione raddoppia circa ogni 18 mesi, ha spinto i progettisti a svi- luppare generazioni successive di microprocessori per più di 50 anni. Come risultato della rapidità di innovazione, si stanno raggiungendo i limiti fisici delle dimensioni ato- miche che impongono nuove tecniche di progettazione 3D (tridimensionale). Oggi ci troviamo nel bel mezzo di un’altra rivoluzione che è legata all’introduzione dei materiali a semiconduttore a larga banda interdetta (wide band gap, WBG). Tali tec- nologie, quali il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gal- lio (GaN), presentano caratteristiche fisiche uniche che le rendono adatte a migliorare l’efficienza nei sistemi di conversione energetica, a massimizzare la densità di po- tenza e a garantire prestazioni notevoli anche in condizio- ni ambientali avverse, per esempio a temperature molto elevate. STMicroelectronics produce già, in alti volumi, dispositivi della serie STPOWER SiC MOSFET che equipaggiano i nuo- vi veicoli elettrici (EV) favorendone l’introduzione su larga scala e abilitando di fatto una mobilità sostenibile e nuo- vi sistemi a guida autonoma. Un altro tipo di rivoluzione, stavolta nel campo dei transistori di potenza di alta ten- sione (cioè, superiore a 200 V), ebbe luogo alla fine degli anni 90 quando furono introdotti i MOSFET (metal-oxi- de-semiconductor field-effect transistor) a super-giun- zione. Prima di allora i progettisti dovevano accettare l’assioma secondo cui in un transistore MOSFET planare la figura di merito, definita come prodotto della resistenza in conduzione (Ron) per l’area del chip, è proporzionale alla tensione di rottura (breakdown) elevata alla potenza di 2,5. Tale legge, come conseguenza, implicava la necessità di allargare le dimensioni del chip per poter arrivare a va- lori di tensioni elevate, limitando di fatto l’uso di package di piccole e medie dimensioni largamente utilizzati nelle applicazioni di elettronica di potenza. Per fortuna venne in soccorso dei progettisti di MOSFET di potenza una nuo- va tecnologia che rendeva la relazione suddetta di tipo li- neare. Chiamata MDmesh, è stata inglobata di recente nel “sub-brand” STPOWER. Principio di funzionamento dei transistori a super-giunzione Il meccanismo che sottende il funzionamento di un MD- mesh può essere compreso ricorrendo ad una delle equa- zioni di Maxwell per il caso semplice monodimensionale, per esempio lungo l’asse y. Tale equazione dice semplice- mente che la pendenza del campo elettrico lungo l’asse y è uguale alla densità di carica r diviso la costante dielet- trica e. Matematicamente possiamo scrivere pertanto dE/ dy=r/e. L’altra equazione mette in relazione la tensione V con la componente del campo elettrico E lungo y, quindi E=-dV/dy. In altre parole, la tensione V è l’integrale di E o, geometricamente parlando, l’area sottesa dalla curva E in funzione di y. Possiamo adesso capire come funziona la nuova tecnologia raffrontandola alla struttura vertica- le di un MOSFET planare standard. La super-giunzione è essenzialmente un’estensione della zona di p-body del transistore di base all’interno del drain per mezzo della realizzazione di colonne di tipo p. Power EO POWER - OTTOBRE 2021 XIV