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- ELETTRONICA OGGI 445 - MAGGIO 2015
adatti per soddisfare le diverse esigenze di elettronica di po-
tenza di auto ibride ed elettriche, senza necessità di tecniche
di raffreddamento avanzate; i requisiti di raffreddamento meno
rigorosi e i componenti passivi meno ingombranti rendono il
design di convertitori estremamente compatti, leggeri ed eco-
nomici.
Un altro materiale che fa parte del settore dei semiconduttori
WBG è il Carburo di Silicio (SiC). Il Carburo di Silicio (SiC) esi-
ste in circa 250 forme cristalline. Il suo polimorfismo è carat-
terizzato da una grande famiglia di strutture cristalline simili,
chiamate politipi. Essi sono una variazione dello stesso compo-
sto chimico, che sono identici in due dimensioni e differiscono
nella terza.
I grani di SiC possono essere legati per formare una ceramica
molto dura e sono ampiamente utilizzati in applicazioni che ri-
chiedono alta resistenza, come freni, frizioni per auto e piatti in
ceramica di giubbotti antiproiettile. Mentre i SiC (Fig. 2) hanno
una mobilità elettronica superiore al silicio, la mobilità degli
elettroni del GaN è superiore al SiC nel senso che materiali
di GaN dovrebbero essere il meglio per frequenze molto alte.
Maggiore conducibilità termica significa che il materiale è mol-
to efficiente nel condurre calore e i materiali SiC da questo
punto di vista sono superiori, il che significa che i dispositivi
SiC possono teoricamente operare a densità di potenza supe-
riori rispetto sia al Nitruro di Gallio sia al silicio.
Il futuro
Negli ultimi dieci anni, i progressi in termini di prestazioni
dei LED è stato sorprendente, poiché ha raggiunto efficienze
dell’ordine del 50%.
L’illuminazione a LED richiede un alimentatore DC, in modo da
resistere a fluttuazioni di corrente e la necessità di alta fre-
quenza e dispositivi attivi ad alta velocità rendono la tecnolo-
gia alquanto costosa quando si tratta di utilizzo in applicazioni
commerciali su larga scala. Materiali di GaN, già utilizzati in
LED bianchi, potrebbero fornire una possibile soluzione. Infat-
ti, la capacità di commutazione dei transistor al GaN è dieci
volte più veloce di quella dei loro equivalenti di Silicio (Fig. 3).
I LED al GaN sono basati su strati sottili di materiale cresciuti su
altri materiali come silicio o zaffiro. La corrente elettrica scorre
nella regione attiva del LED, da cui viene emessa la luce. Tutta-
via, questi cristalli di GaN non sono perfetti, e difetti nella loro
struttura possono portare alla rottura del processo di emissio-
ne di luce, con conseguente produzione di calore piuttosto che
luce e, quindi, una riduzione di efficienza del LED.
I semiconduttori di tutti i tipi sono caratterizzati dalla spazia-
tura tra atomi nel reticolo cristallino. Una difficoltà, con l’uti-
lizzo del silicio come substrato,
è rappresentata
dagli atomi
che non sono distanziati alla stessa maniera come gli atomi in
uno strato di GaN. Crescere il GaN direttamente sul silicio por-
terebbe a una mancata corrispondenza, che causerebbe cor-
renti di dispersione e deterioramento nelle prestazioni del LED.
Investimenti nel settore dei semiconduttori al GaN porteranno
a un miglioramento della tecnologia ma soprattutto a nuove
tecniche in grado di garantire un basso costo.
La svolta necessaria per la coltivazione di GaN su silicio po-
trebbe essere rappresentata dall’utilizzo di uno strato buffer,
che offre una migliore corrispondenza al reticolo di silicio, e
quindi dalla trasposizione graduale del livello di buffer nel
GaN.
I dispositivi di commutazione sono componenti chiave in qual-
siasi circuito elettronico di potenza poiché controllano e limita-
no il flusso di potenza dalla sorgente al carico. I loro requisiti di
livello di potenza (corrente e tensione) e frequenza di commu-
tazione sono in continuo aumento nel settore dell’elettronica
di potenza.
Il materiale più importante è stato ed è il Silicio (Si) per disposi-
tivi semiconduttori a stato solido; tuttavia, il funzionamento del
dispositivo di alimentazione di silicio è generalmente limitato
a bassa frequenza e temperatura. Carburo di Silicio e Nitruro
di Gallio offrono il potenziale per superare i limiti di frequenza,
temperatura e gestione dell’alimentazione. Un gran numero di
nuovi metodi e materiali
è
ancora in fase sperimentale. Allo
stato attuale, il carburo di silicio è ritenuto il materiale che co-
stituisce il miglior compromesso tra le proprietà dei materiali e
la maturità commerciale.
Tuttavia, ai prezzi attuali di mercato, l’uso del SiC ha un costo
proibitivo in molti dispositivi quali i veicoli elettrici. Tuttavia,
con il miglioramento dei processi e l’aumento della domanda,
il costo potrebbe scendere abbastanza per fare del SiC una
valida alternativa al silicio. Inoltre, è previsto un ulteriore lavo-
ro di ricerca per comprendere al meglio la fisica dei semicon-
duttori, migliorando la crescita dei materiali, per ottimizzare le
prestazioni del dispositivo e per qualificare componenti semi-
conduttori WBG per l’utilizzo nel settore spaziale.
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Fig. 3 – Struttura LED GaN