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POWER
NEWMATERIALS
37 - ELETTRONICA OGGI 445 - MAGGIO 2015
ture oltre 300 °C (il doppio della massima
temperatura di dispositivi basati su sili-
cio). Questa tolleranza consente ai siste-
mi più piccoli e leggeri una riduzione dei
consumi energetici del ciclo di vita e crea
opportunità per nuove applicazioni;
• frequenze più alte: funziona a frequenze
di almeno 10 volte superiore rispetto ai
dispositivi basati su silicio, rendendo pos-
sibili progetti meno costosi e più compatti
e l’apertura di una serie di nuove applica-
zioni in ambito RF;
• maggiore efficienza di illuminazione: i
LED basati su WBG producono più luce
per watt di energia, estendendo la vita
media di servizio per almeno 30 volte.
Proprietà del GaN e SiC
Fondamentalmente, il materiale ha un
ruolo molto importante nel determinare
il futuro di qualsiasi tecnologia; mentre
la saturazione del silicio è dovuta al suo
limite chimico, altri materiali (WBG) si
stanno affacciando sul mercato.
Il Nitruro di Gallio (GaN) è un semicondut-
tore composto sintetizzato artificialmente
che presenta proprietà estremamente fa-
vorevoli per l’applicazione in elettronica
di potenza, con un bandgap di 3.4 eV, che
è quasi 3 volte quella del silicio, e con un
campo elettrico teorico di 3 MV/cm (10
volte più del silicio). Il GaN può essere
legato con altri materiali come alluminio
e indio per creare semiconduttori con
un’ampia varietà di bandgap. L’altra pro-
prietà molto speciale del GaN, che lo ha
reso dominante in elettronica ad alta frequenza, è la presen-
za di carica di polarizzazione. Il GaN sembra estremamente
interessante per le applicazioni di commutazione di potenza,
dove il cuore tecnologico è costituito da un interruttore a stato
solido: transistor o più comunemente Mosfet e IGBT.
Per la conversione di potenza offrono un’elevata mobilità,
alta carica e, quindi, bassa conducibilità. In alcuni design di
convertitori con GaN, la frequenza di commutazione è circa
100-300 KHz ed è limitata solo dalla progettazione dell’appli-
cazione; di solito i dispositivi basati su GaN possono raggiun-
gere frequenze fino a 1 MHz, con efficienze impossibili da rag-
giungere quando si utilizza il silicio. Con un campo elettrico di
3 MV/cm e il canale di mobilità ad alto elettroni, sono molto
,
Il mercato
LetecnologiedeisemiconduttoriWBGstannoattirandomoltaattenzioneversoilmercato,
coninvestimentinellaricerca.L’amministrazioneUSAhaselezionatounconsorziodiazien-
deeuniversitàper fondareun istitutodi innovazione focalizzatasumaterialiWBG. Giap-
poneeRegnoUnitosistannomuovendoperpromuoverefinanziamentiinquestosettore.
Il rapporto di mercato di conferma la tendenza dei materiali WBG, come
Carburo di Silicio (SiC) e Nitruro di Gallio (GaN), a occupare la posizione migliore per le
emergenti tecnologie di potenza nei vari campi automotive, quali veicoli elettrici (EV),
con l’adozione del SiC nei veicoli già nel 2020 (Fig. 1R). ha confer-
mato nel suo rapporto“Power GaN Market” l’introduzione del GaN nel mercato Power
Electronics. Gli analisti diYole identificanonumeroseapplicazioni, soprattuttoper labas-
sagammadi tensione comealimentazione/PFC. Secondo l’analisi dimercato, il segmen-
todell’alimentazionedominerà il business 2015-2018con il 50per centodellevenditedi
dispositivi.PerlatecnologiaGaNRFeperidispositividipotenzaGaNeSiCèprevistauna
crescitaadoppiacifra, conuna spintaper ognunodi questi segmenti apiùdi 500milioni
didollaridivenditeentroil2020,perunmercatodeidispositivisemiconduttoricomposti
totalemaggioredi 2miliardi di dollari.
Fig. 2 – Esempio di una Struttura SiC Mosfet (DMosfef)
Fig. 1R – Il power saving in un veicolo elettrico ha un impatto sulla misura e peso delle
batterie (Fonte: Lux Research)