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26 - ELETTRONICA OGGI 494 - MAGGIO 2021 TECH INSIGHT SIC/GAN Proprietà e potenzialità dei materiali Wide BandGap Come si evidenzia dai valori riportati nella tabella di figura 2 alcuni materiali composti vantano una energia di Band Gap e quindi una larghezza di banda proibita decisamente più ampia di quella del Silicio o dell’ob- soleto Germanio, ed anche dell’ormai maturo Arseniu- ro di Gallio. Fra le nuove tipologie di semiconduttori, sicuramente il Carburo di Silicio (SiC) ed il Nitruro di Gallio (GaN) sono quelli che stanno decisamente emergendo e ri- scuotendo ottimi feedback di risposta del mercato; di entrambi si riescono a sfruttare molti ed importanti vantaggi che si rivelano fondamentali se commisurati con la tradizionale tecnologia del Silicio, per il fatto che alcune loro caratteristiche sono 3 ÷ 4 volte migliorati- ve. Il valore dell’energia di bandgap richiesto per sposta- re gli elettroni in banda di conduzione (3,26 eV per il SiC, 3,39 eV per il GaN), è all’incirca tre volte superiore rispetto al corrispondente valore del silicio (1,12 eV) e questa caratteristica si traduce in una tensione di bre- akdown, quindi in un campo elettrico critico di alme- no un ordine di grandezza maggiore; tale parametro, congiuntamente con l’elevata velocità di saturazione dei portatori, elegge i due semiconduttori composti a candidati ideali in tutte quelle applicazioni caratteriz- zate da elevata potenza di uscita, anche in presenza di ambienti soggetti ad alte temperature. In particolare, tali materiali sono diventati conside- revolmente interessanti per la realizzazione di nuovi dispositivi di potenza da impiegare in convertitori, inverter e più in generale in sistemi con elevata cor- rente erogata poiché essi vantano eccezionali valori della resistenza specifica Rds-on. Sulla base di questo fattore chiave, è possibile ottenere una significativa ri- duzione della potenza dissipata per conduzione nello + ! in grado di ridurre anche le perdite generate in regime di commutazione (aliquota della potenza persa, che è caratteristica di tutti i converter di tipo switching e che sono la stragrande maggioranza) poiché le loro capa- cità di ingresso evidenziano valori decisamente ridotti rispetto ai corrispettivi transistori di potenza fabbricati in silicio: le considerazioni precedenti in merito alla ri- duzione dei valori di capacità di ingresso ne motivano l’estensione dell’operatività verso frequenze superiori. Suddette proprietà sono convenientemente sfruttate per poter ricavare performance eccellenti che costi- tuiscono le caratteristiche principalmente desiderabili nella progettazione di grossi amplificatori RF per appli- cazioni radar e satellitari e di apparecchiature elettro- niche di potenza ad alta efficienza; i nuovi semicondut- tori consentono di realizzare dispositivi che possono funzionare con tensioni e frequenze notevolmente più elevate rispetto ai semiconduttori convenzionali. Il beneficio diretto dell’utilizzo della tecnologia del Car- buro di Silicio e del Nitruro di Gallio sta nel fatto che con il loro impiego vengono permessi livelli di energia molto più elevati e gestiti in modo estremamente effi- cace, riducendo la perdita di potenza totale e quindi incrementando il rendimento medio fino al 4%. Una conseguente ricaduta è che si possono restrin- gere le dimensioni degli ingombri, ottenendo così un “downsizing” di un fattore 3 o ancora maggiore in quanto i nuovi semiconduttori ad elevata larghezza di banda sono in grado di lavorare con livelli di potenza nettamente superiori rispetto ai dispositivi tradizionali che utilizzano la medesima area attiva; ne deriva che volendo costruire dispositivi con pari livelli di perfor- mance, si ottiene un importante ridimensionamento capace di semplificare anche il management termico, questo aspetto consente di effettuare saving di una quota parte del sistema necessario alla dissipazione del calore (alette, ventole, isolanti elettrici interposti). Si deve ricordare che una elevata densità di potenza rende la problematica termica una forte sfida specie nel caso in cui l’efficienza non sia altrettanto adegua- ta: quindi una elevata efficienza energetica diventa il requisito fondamentale per poter gestire in maniera snella anche densità di potenza importanti. L’ampia energia di bandgap, combinata con la bassa concentrazione dei portatori intrinseci, consente ai dispositivi di lavorare a temperature superiori perché non ne vengono degradate le proprietà elettriche, tol- lerando così il funzionamento in ambienti più caldi. Un aumento di temperatura, infatti, comporta un in- cremento di energia termica da parte degli elettroni presenti in banda di Valenza, fino a che questi perven- gono al valore limite di energia, atto a promuoverne il salto verso la banda di Conduzione. Fig. 2 – Proprietà dei vari semiconduttori