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POWER 8 - giugno 2015
XVIII
Power
quelle condizioni al contorno necessarie a far credere
in una sua diffusione in larga scala, almeno a breve.
Tra i vari, quello che sta guadagnando sempre più spa-
zio e che inizia a esercitare una apprezzabile penetrazio-
ne nei vari comparti del mercato globale è sicuramente
il carburo di silicio, SiC, la cui tecnologia è indubbia-
mente più matura del GaN ed evidenzia già un accetta-
bile grado di robustezza mostrando delle performance
spiccatamente più elevate rispetto al silicio, in particolar
modo nelle condizioni combinate di alta tensione con
alta corrente, quindi in potenza, a elevata frequenza,
unitamente alla possibilità trasversale di operare a tem-
perature di funzionamento superiori rispetto a quelle
massime consentite dal silicio stesso.
Queste feature lo hanno fatto balzare all’attenzione dei
player mondiali grazie alle sue potenzialità di essere in
grado di gestire elevati livelli di energia in modo indi-
scutibilmente più efficiente ed efficace, individuandolo
come materiale “promessa” per le prossime generazioni
di semiconduttori di potenza visto che rappresenta già
una opzione innovativa per i progettisti di questo setto-
re di elettronica.
Esso è composto pariteticamente da carbonio e silicio
(al 50%) ed è presente in natura sotto forma di varie
strutture cristalline polimorfe che vengono chiamate
politipi, tutte di medesima geometria tetraedrica tra cui
il tipo 4H-SiC, che è quello normalmente prescelto ai
fini della costruzione di dispositivi elettronici di poten-
za.
Il SiC si contraddistingue per il fatto di possedere una
larghezza di banda proibita (bandgap) di oltre 3 eV uni-
tamente a una conduttività termica di quasi 5W/cm°C;
tali valori sono all’incirca 3 volte maggiori rispetto ai
corrispettivi del silicio (1.12 eV e 1.5W/cm°C rispetti-
vamente); esso vanta inoltre un campo elettrico critico
pari a quasi 3100 KV/cm (è un ordine di grandezza su-
periore rispetto al Si); a fronte di ciò la mobilità dei suoi
portatori scende da 1400 cm
2
/Vs a circa 900 cm
2
/Vs.
Il notevole valore di campo elettrico critico permette di
raggiungere tensioni di rottura decisamente più elevate
rispetto a dispositivi analoghi realizzati in silicio (è utile
ricordare che la tensione di breakdown VB è propor-
zionale al quadrato dl campo elettrico critico) e apre la
strada verso geometrie nettamente più piccole, consen-
tendo così la realizzazione di dispositivi molto miniatu-
rizzati; grazie a ciò le applicazioni finali che adoperano
componentistica in carburo di silicio riescono a innal-
zare il valore della densità di potenza fino raggiungere
i 10 W/cm
3
.
Questo aspetto tecnologico è accompagnato da un va-
lore più basso della costante dielettrica Ɛs (circa il 20%
in meno rispetto al valore dei silicio), il che produce
proporzionalmente delle capacità intrinseche più pic-
cole e conseguentemente una migliore attitudine alla
realizzazione di componenti a radiofrequenza.
I dispositivi in SiC permettono un incremento dell’ef-
ficienza dei sistemi, riducendo le perdite mediamente
del 50%, ma in alcuni casi si può arrivare fino al 70%
se comparati con omologhi dispositivi Si e, grazie alla
maggiore temperatura di esercizio insieme alla più ele-
vata conducibilità termica, ne permette una riduzione
delle dimensioni ovverosia dei costi dei sistemi di alette
dedicate al raffreddamento degli stessi dispositivi di po-
tenza.
Potendo inoltre essere incrementata la frequenza di
commutazione, si riesce a ricavare una fisiologica rica-
duta sulle dimensioni degli elementi magnetici (ne di-
minuisce il volume), che permette così di conseguire
una ulteriore contrazione sul size totale da cui si ricava
ancora un saving, di tipo indiretto, sui costi totali.
Il carburo di silicio, con la tecnica dell’accrescimento
omo-epitassiale, consente la realizzazione di dispositivi
Fig. 1 – Esempi di dispositivi realizzati in carburo di silicio