POWER4 - aprile2014
X
Power
tore – come è noto – è condizionata dalla temperatura
ambiente ed èdirettamenteproporzionale allapotenza
dissipata, che va quindi limitata a livello circuitale, o
limitando la corrente di lavoro omonitorando diretta-
mente la temperatura del dispositivo o del dissipatore.
Il superamentodellamassima temperatura ammissibile
per il semiconduttore porterebbe a fenomeni di deriva
termica a causa dell’aumento incontrollato delle cor-
renti inverse.
I costruttori dei dispositivi di potenza che utilizzano
come semiconduttore il silicio indicano temperature
massime operative comprese tipicamente fra i 150 e i
175 °C, variabile a seconda del tipo di dispositivo, dei
livelli di drogaggio utilizzati e dalla sequenza di mate-
riali usati per il fissaggio dei chip al package, mentre
solo pochi dispositivi di potenza oggi disponibili sono
pienamente caratterizzati fino a 200 °C.
Superando la temperatura massima di giunzione si
incontrano non solo problemi legati allo stress mec-
canico (fissaggio del chip al substrato, wire bonding
e package) ma legati soprattutto ai fenomeni di deri-
va termica, come ad esempio il non certo trascurabile
raddoppio delle correnti inverse ogni circa 10 °C, che
porta in breve tempo il chip alla “cottura”, e quindi ad
una rapida variazionedelle caratteristiche che rendono
incontrollabile il comportamento dell’intero circuito
applicativo.
Perché proprio 150-175 °C? Questo limite – valido per
tutti i tipi di dispositivi al silicio, discreti e integrati,
di segnale e di potenza – è proprio legato al
tipo di semiconduttore, ed è condizionato di-
rettamente dall’energy-gap. Questo parame-
tro – che rappresenta il “salto” di energia fra
la banda di valenza e quella di conduzione –
condiziona a sua volta la concentrazione dei
“portatori minoritari”, ovvero l’entità delle
correnti inverse di giunzione, che sonoquelle
che limitano in pratica lamassima temperatu-
ra operativa.
A questo punto ci si è chiesti se sostituendo il
silicio conun semiconduttore amaggior ener-
gy-gap non si potesse ottenere un dispositi-
vo in grado di funzionare a temperatura più
elevata e quindi in grado di dissipare unmag-
gior potenza. La risposta è ovviamente sì. La
ricerca in effetti ha individuato già da parec-
chi anni una serie di semiconduttori binari e
ternari (ovvero formati da due o tre elementi
chimici) con energy-gap più elevato di quello
del silicio.
Il problema pratico è stato però quello pro-
duttivo, legato a problemi quali ad esempio il
costo di ottenimento, la qualità dei monocri-
stalli nonché la loro dimensione, la facilità di
drogaggio e la possibilità di sfruttare i processi – ormai
classici e più che sperimentati – sinora usati diffusa-
mente per il silicio, che hanno permesso di abbattere i
costi produttivi e ottenere ottime rese per elevati volu-
mi di produzione.
Semiconduttori composti
Grazie ai vantaggi ottenibili con i materiali composti,
i laboratori di ricerca sono riusciti a mettere a punto
da alcuni anni metodologie di produzione adeguate,
Fig. 2 – Confronto fra le prestazioni ottenute con dispositivi in
silicio, carburodi silicioenitrurodiGallio in termini di tensione
di breakdowne resistenzaspecificadi conduzione (Fonte Inter-
national Rectifier)
Fig. 3 – Transistor di potenza al carburo di silicio
prodottodaCreeSemiconductor
