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POWER 8 - giugno 2015
XX
Power
PSM
plicazioni in commutazione per alta tensione e corren-
te sono certamente gli IGBT (Insulated Gate Bipolar
Transistor). Affinché tali componenti possano presen-
tare una bassa resistenza nello stato di conduzione,
è necessaria una iniezione di portatori minoritari; a
causa di questa presenza però, il loro spegnimento ri-
chiede un tempo abbastanza lungo, poiché i portatori
minoritari iniettati per i motivi legati all’aumento della
conduzione si dovranno ricombinare. Tale processo è
accompagnato dalle perdite introdotte, per il fatto che
durante lo spegnimento del dispositivo questi porta-
tori producono una “coda” sul profilo della corrente,
coda che dovrà essere dissipata.
I MOSFET sono dispositivi di tipo unipolare, a cariche
maggioritarie, e non generano di per sé code di cor-
rente; inoltre, se vengono realizzati in silicon carbide
riescono a combinare le varie caratteristiche positive
che sono richieste per le applicazioni switching, ossia
una elevata tensione di lavoro e una più bassa resisten-
za Rds nello stato di conduzione, alla possibilità di in-
nalzare la frequenza di commutazione. Oltre a ciò il
SiC aggiunge la grande potenzialità di poter lavorare
ad alta temperatura; in particolare, se i componenti
realizzati con questo nuovo semiconduttore vengono
adeguatamente corredati dell’opportuno package,
possono riuscire a operare fino a temperature di 200
°C. Si prevede in futuro di riuscire ad andare anche ol-
tre tale limite anche per queste tipologie di componen-
ti. Anche per i SiC MOSFET sono presenti dispositivi
con tensioni di lavoro che vanno tra i 600V e i 1200V,
ma anche per essi sta per essere resa disponibile della
componentistica con tensione di lavoro fino a 1700V.
In figura 3 sono mostrati alcuni dispositivi già dispo-
nibili sul mercato. Per quel che concerne gli inverter
trifasi orientati al controllo motore e anche per appli-
cazioni nel solare e nell’eolico, si stanno affermando
power moduli intelligenti (IPM), dotati di circuiti dri-
ver, protezioni e feedback di temperatura, in cui i sei
dispositivi di potenza vengono realizzati da SiC MOS
che vanno a sostituire i tradizionali IGBT o MOS; l’e-
voluzione descritta consente la gestione di correnti di
fase dell’ordine di 100A e oltre, in case assolutamente
ristretti.
Nei SiC MOSFET la modesta transconduttanza (si ri-
corda che la mobilità dei portatori è minore del silicio)
richiede tensioni di pilotaggio Vgs di circa 20V, al fine
di ottimizzare le performance ed evitare desaturazioni
potenzialmente pericolose per i dispositivi stessi.
Nonostante i vantaggi del carburo di silicio derivanti
dalle proprietà elettro-termiche migliorative, il suo
impiego presenta ancora alcuni aspetti che al momen-
to appaiono limitanti a uno sviluppo massivo e questi
sono correlati con le sue caratteristiche chimico-fisi-
che; in particolare, l’elevata stabilità del legame Si-C
(covalente per l’88%) impone la necessità di alte tem-
perature di processo, per poter eseguire le varie fasi di
accrescimento durante le quali possono essere richie-
ste temperature fino a 2000 °C; tale aspetto si riflette
inevitabilmente sui costi di produzione, facendoli ine-
sorabilmente lievitare.
Infine, la notevole durezza presentata dai substrati ten-
de a mantenere basso il coefficiente di diffusione delle
specie droganti (sia N sia P) all’interno del substrato
stesso, lasciando per il momento la crescita di tipo epi-
tassiale e la impiantazione ionica quali uniche tecniche
percorribili ed efficaci, ma più costose di altre, al fine
di poter raggiungere il corretto profilo di drogaggio
all’interno del semiconduttore stesso.
Fig. 3 – Alcuni dispositivi di tipo SiC MOSFET già commercializzati