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POWER
TRANSISTOR
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- ELETTRONICA OGGI 454 - MAGGIO 2016
Transistor di potenza
più efficaci e competitivi
L’
energia è preziosa e oggi si
cerca di utilizzarla con parsi-
monia. Una fra le più impor-
tanti applicazioni dove è possibile con-
tenere la dissipazione termica dell’e-
nergia è costituita dalla conversione
dell’energia elettrica. Non esiste appa-
recchio elettronico o elettrico che non
sia dotato di uno stadio di alimenta-
zione dove una manciata di transistor
si occupano di trasformare l’energia
disponibile all’esterno in una forma
adatta all’utilizzo da parte dei circuiti
interni e, pertanto, la qualità e l’efficien-
za di questi fondamentali componenti di
potenza può determinare il rendimento
di tutto ciò che utilizziamo.
Se la potenza è sufficientemente alta, oggi vengono preferiti i
transistor con giunzioni in nitruro di gallio, o GaN, che offro-
no diversi vantaggi rispetto al silicio. Innanzi tutto, hanno un
gap fra banda di valenza e banda di conduzione circa triplo,
ossia di 3,4 eV piuttosto di 1,12 eV, e ciò significa che sono
molto più adatti per gli alti voltaggi perché mantengono me-
glio l’isolamento fra collettore ed emettitore in fase d’interdi-
zione e sopportano un’energia di rottura quindici volte mag-
giore, ossia di 300 V/µm contro i 20 V/µm del silicio. Tutto
ciò a parità di velocità di commutazione, dato che la mobilità
elettronica dei portatori di carica nel canale di conduzione è
quasi la stessa, anche se leggermente migliore nel GaN che
è di 1600 cm
2
/Vsec contro i 1500 cm
2/
Vsec del silicio. La mo-
bilità elettronica, perciò, indica la velocità di attraversamen-
to del canale da parte dei portatori di carica ma non basta
perché alla velocità di commutazione contribuisce anche il
tempo che impiega il transistor a commutare fra gli stati “off”
e “on” e questo dipende dalla quantità di energia necessaria
per far svuotare o riempire di portatori di carica il canale fra
collettore ed emettitore che attraversa la base e qui entra
in gioco la resistenza di conduzione, che viene citata come
parametro fondamentale in tutte le note tecniche dei transi-
stor. Quanto più bassa è la resistenza r
ds
(on) e tanto minori
sono l’energia di comando e il tempo di commutazione, ma a
differenza dei parametri precedenti, che sono intrinsechi dei
relativi materiali, la resistenza di conduzione è un parametro
circuitale che dipende dalla qualità del metodo di fabbrica-
zione impiegato e anche dal circuito di polarizzazione che
viene applicato al transistor.
Le tecniche di fabbricazione si sono oggi evolute al punto
da poter far crescere le giunzioni di GaN per deposizione
epitassiale sopra i substrati di silicio a costi competitivi, ot-
tenendo valori di resistenza di conduzione molto più bassi
rispetto ai transistor di silicio e ciò significa che le dimensio-
ni dei transistor in GaN possono essere più che dimezzate,
ottenendo nel contempo valori di robustezza e velocità ope-
rativa superiori. Le giunzioni in GaN possono pertanto esse-
re considerate degne sostitute del silicio nelle applicazioni
di potenza dove sia necessario garantire anche una buona
risposta in frequenza. Diverso è il target delle giunzioni in
Lucio Pellizzari
Nella conversione della potenza il GaN e il SiC
superano il silicio e crescono le nuove idee
in grado di rendere più competitivi i nuovi
transistor capaci di rendere energeticamente
più efficienti i sistemi elettrici
Fig. 1 – Lamaggior robustezza consente di realizzare i transistor in GaN più piccoli di quelli in silicio
pur garantendo un’elevata velocità di commutazione e una bassa resistenza di conduzione