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36 - ELETTRONICA OGGI 474 - NOVEMBRE/DICEMBRE 2018 I transistor non ces- sano di evolvere adattandosi alle nuove esigenze circu- itali in termini di velo- cità e versatilità e oggi la tecnologia di riferi- mento è costituita dal- le giunzioni in nitruro di gallio (GaN). Di gal- lio ce n’è poco in natu- ra ma abbonda come sottoprodotto della lavorazione di zinco e alluminio e ciò ne contiene il costo. Viene unito a 1.100 °C insieme al nitruro (o azoto ionico) con cui forma un reticolo cristallino dalla struttura piramidale tipica della wurtzite (solfuro di zinco e ferro) caratterizza- ta da un’estrema robustezza. In un transistor GaN la mobilità elettronica di 1.500 cm²/Vsec è leggermente migliore rispetto al silicio (1.350 cm²/Vsec) ma il gap energetico fra la banda di valenza e la banda di con- duzione di 3,39 eV è più che triplo e garantisce una tensione di rottura dieci volte maggiore di 3,3 MV/cm contro i 0,3 MV/cm del silicio, il che ne fa un elemento circuitale perfetto per le elevate potenze. Diverse sono le caratteristiche dei transistor in GaAs la cui mobilità elettronica di 8.500 cm²/Vsec li rende più adatti nelle applicazioni a elevatissima velocità di commutazione con limiti di potenza simili a quelli del silicio, dato che la tensione di rottura di 0,32 MV/cm è quasi la stessa. Un’altra importante categoria di transistor è costituita dal SiC che presenta un gap energetico di 3,26 eV e una tensione di rottura di 4,7 MV/cm ancor migliore rispet- to al GaN ma accompagnata dalla bassa mobilità elet- tronica di 800 cm²/Vsec. In pratica, quando occorrono una velocità oltre il GHz e una potenza sul centinaio di Watt i preferiti sono i transistor in GaN perché han- no una miglior tenuta termica che permette di erogare forti correnti dissipando di meno. L’unico svantaggio è costituito dalla presenza dell’azoto che complica un po’ i processi di fabbricazione dato che è praticamen- te impossibile realizzare i substrati in GaN. Di conse- guenza si ricorre all’economico silicio che però ha una diversa struttura cristallina e perciò causa una tensio- ne indotta sul GaN soprastante che richiede adegua- te tecniche di polarizzazione circuitale. I substrati in silicio si usano nelle applicazioni a maggior potenza e minori complicazioni circuitali, ma se si è disposti a spendere un po’ di più si può risolvere il problema scegliendo i substrati di SiC che offrono la necessaria robustezza senza influire sulle caratteristiche circuita- li. È dimostrato che i reticoli di silicio-carbonio han- no una durezza simile a quella del diamante e perciò sono immuni alle temperature estreme, alle scariche elettriche, alla radioattività e persino alle radiazioni cosmiche. Le giunzioni in GaN vengono quindi depo- sitate con processi di Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) o Molecular Beam Epitaxy (MBE) su die in SiC o Si mentre i contatti sono fabbricati in AlGaN e tutto in metà spazio rispetto al silicio. I tran- sistor GaN sono per lo più di tipo HEMT, High Electron Mobility Transistor, che sono praticamente FET a effet- to di campo con una giunzione metallo/semicondut- tore di gallio/nitruro nella base. In genere sono di tipo “depletion-mode” o a svuotamento perché hanno la base nor- malmente piena di portatori di carica e perciò conduttiva, in ON, mentre applican- do tensione se ne in- duce lo svuotamento e si ottiene l’isola- mento fra collettore ed emettitore con la commutazione in OFF. Più recentemen- te sono nati i GaN FET “enhancement-mode” o eHEMT nei quali la base è isolata e perciò il canale di condu- zione è normalmente svuotato e quindi in OFF mentre invece applicando tensione commuta in ON. Va tenuto presente che questi transistor possono generare un L’evoluzione dei transistor di potenza Lucio Pellizzari Oggi sono gli HEMT, o FET in GaN, a dominare il mercato dei transistor perché superano il silicio in prestazioni, dimensioni, costi e robustezza La struttura piramidale del reticolo di GaN ne spiega l’estrema robustezza che è accompagnata da una mobilità elettronica migliore rispetto al silicio Misurano 3,96 e 7,36 mm² i transistor eGaN FET EPC2045 ed EPC2047 che EPC propone con uscita in tensione di 100 e 200 V e uscita in corrente di 16 e 32 A POWER GAN TECHNOLOGY