I nuovi semiconduttori nei laboratori del sol levante

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Un diffuso modo di fare ricerca è quello di sperimentare in ogni ambito scientifico i materiali che hanno ottenuto successo in altri settori applicativi. Questo succede anche in elettronica dove nei laboratori si cercano di realizzare transistor con semiconduttori o conduttori che sono saliti alla ribalta della comunità scientifica per le loro prestazioni termiche, ottiche, chimiche e, persino, microbiologiche. I transistor in silicio-carbonio SiC, per esempio, offrono ottime caratteristiche meccaniche e termiche e sopportano altissimi voltaggi anche se rispetto al tradizionale silicio hanno una banda passante inferiore e richiedono più energia per commutare. Ciò significa che i transistor in SiC sono ottimi per le applicazioni nelle microonde dove non sono costretti a fornire un grande guadagno e hanno il vantaggio di vivere molto a lungo alle estreme temperature satellitari.

Fig. 1 – Le giunzioni in silicio-carbonio sono più lente rispetto al silicio ma lavorano a maggior potenza dissipando meno calore

In pratica, rispetto al silicio il SiC ha un gap di energia fra la banda di conduzione e la banda di valenza circa triplo e una mobilità elettronica dimezzata ma in più ha una robustezza centinaia di volte maggiore e una preziosa duttilità in fase di fabbricazione, due doti che ne fanno il materiale più adatto per le giunzioni dei transistor di potenza nelle applicazioni industriali e aeronautiche. Prestazioni migliori del SiC si possono certamente ottenere con le giunzioni in GaAs, GaN, SiGe e InP, ma nelle condizioni d’impiego più impegnative i costi di questi transistor non sono altrettanto competitivi se si tiene conto dell’inferiore robustezza strutturale e di tutte le altre proprietà fisiche, chimiche e di polarizzazione circuitale di questi materiali. È, dunque, più probabile che siano i transistor Mosfet e i diodi Schottky (SBD, Schottky Barrier Diode) con giunzioni SiC ad apprestarsi a conquistare il mercato delle applicazioni di potenza.

Semiconduttori su ossido isolante
Secondo i laboratori Takagi and Takenata Labs dell’Università di Tokyo fra i materiali che più si affermeranno nei transistor Mosfet di prossima generazione c’è senza dubbio il GOI, Ge-On-Insulator, perché il bassissimo gap di energia del germanio può essere l’arma vincente per consentire di miniaturizzare i transistor alle dimensioni nanometriche pur continuando a garantire una elevatissima velocità di commutazione. Grandi passi avanti sono stati fatti in laboratorio sulle tecniche che consentono la deposizione del germanio sui substrati di silicio infrapponendo uno spessore di ossido di germanio isolante ossia realizzando sandwich Ge/GeO2/Si proprio come si fa per i transistor SOI giacché in questo modo si riesce a risolvere l’unico guaio del germanio ossia il basso valore del campo elettrico di rottura.

Fig. 2 – I Takagi and Takenata Labs di Tokyo stanno studiando soprattutto la tecnologia GOI, germanio su isolante, e i transistor tunnel-FET in SiC

Gli stessi laboratori cercano di perfezionare le tecniche di deposizione delle giunzioni formate da un semiconduttore del III gruppo e uno del V entrambi su uno strato di isolante in ossido di silicio e poi sopra un substrato di silicio per comporre cioè un III-V-On-Insulator, o III-V-OI, e questa soluzione sembra promettente soprattutto per le eterogiunzioni InGaAs/InP su SiO2/Si giacché sembrano mostrare un buon equilibrio fra la mobilità elettronica e la robustezza con in più il vantaggio di poter fare a meno del germanio e quindi diminuire i costi di fabbricazione rispetto alla prima soluzione. Lo stesso succede anche per i tradizionali transistor CMOS poiché malgrado i laboratori continuino a sperimentare nuovi materiali più performanti, sia del IV gruppo sia con giunzioni III-V, c’è sempre poi da fare i conti con l’aspettativa di competitività dei chip che devono affrontare la produzione per volumi. Anche i T&T Labs pronosticano un roseo futuro per i transistor SiC soprattutto dopo che nei più recenti esperimenti hanno dimostrato un interessante effetto tunnel che, se perfezionato, potrebbe consentire di moltiplicare parecchio la velocità di commutazione, il che aprirebbe prospettive di mercato davvero importanti per i nuovi tunnel-FET SiC.

Inverter modulari
Mitsubishi Electric ha realizzato nei suoi laboratori di Tokyo un prototipo di invertitore trifase interamente in SiC capace di erogare una densità di potenza di ben 50 kVA per litro. L’inverter è, infatti, composto da tre moduli raffreddati ad aria forzata ciascuno dei quali sopporta una tensione di lavoro di 400 V e può produrre fino a 11 kW, prestazioni che ne consentono l’uso tanto in ambito industriale quanto nelle applicazioni automotive e negli impianti per la conversione dell’energia. L’intero sistema è composto da tre moduli che insieme possono lavorare a 1200V/300A e produrre in uscita una densità di potenza massima di 156 kVA.

Fig. 3 – I nuovi inverter Mitsubishi Electric hanno amplificatori con transistor e diodi in SiC capaci di erogare una densità di potenza fino a ben 156 kVA

I suoi amplificatori sono composti solo da transistor Mosfet SiC e diodi schottky SiC installati su piste circuitali ultra ridotte a bassissima resistenza, la cui tecnologia è brevettata e contribuisce notevolmente a produrre l’elevata densità di corrente erogata dal circuito. L’elevato rendimento elettrico dei chip ne consente il raffreddamento ad aria ventilata senza bisogno degli ingombranti e costosi dissipatori tipicamente impiegati per raffreddare i moduli ad alta potenza dentro agli armadi. Mitsubishi Electric ha già collaudato questa tecnologia fornendo degli inverter con transistor e diodi SiC a Tokyo Metro che li ha impiegati per l’alimentazione dei motori elettrici nei treni della metropolitana di Tokyo.

Amplificatori versatili
Renesas Electronics ha presentato tre nuovi dispositivi di potenza realizzati con le nuove giunzioni SiC sviluppate nei propri laboratori di Tokyo e caratterizzate da un’elevata efficienza in potenza e da rapidi tempi di risposta. Il livello di tensione di 600 V è stato scelto per soddisfare non solo l’impiego industriale, ma un’ampia gamma di applicazioni come la climatizzazione ambienti oppure la conversione dell’energia nei piccoli impianti. Il modello RJQ6020DPM è composto da un diodo SBD in SiC capace di commutare in soli 15 ns e da due Mosfet SiC di tipo SJ-MOS, Super-Junction Mosfet, ossia con una particolare struttura verticale che riduce la resistenza di conduzione a soli 100 mOhm e consente di generare corrente fino a 20 A.

Fig. 4 – Tre nuovi dispositivi Renesas in tecnologia SiC/SJ MOS e SiC/IGBT con tempo di commutazione di 15 ns e resistenza di conduzione di 100 mOhm

Il mode
llo RJQ6021DPM è simile e ha un identico diodo SiC SBD ma qui viene affiancato da due transistor IGBT ultra-thin-wafer allo scopo di offrire una tensione di lavoro più bassa e più versatile nell’impiego. Entrambi questi dispositivi sono implementabili insieme ai Controller Continuous-Conduction Mode Renesas R2A20112A/4A per formare sistemi completi di comando specifici per le applicazioni PFC, Pump and Fan Control. Il modello RJQ6022DPM incorpora due diodi SiC-SBD insieme a due IGBT ed è più adatto negli inverter half-bridge industriali per il pilotaggio delle macchine utensili.

Potenza di nuova generazione
Rohm ha svolto nei suoi storici laboratori di Kyoto lunghe ricerche sulle tecnologie circuitali in silicio e carbonio, SiC, ed è riuscita a realizzare diodi e transistor di potenza capaci di sopportare tensioni inverse oltre il migliaio di Volt e nel contempo limitare la resistenza di conduzione specifica a meno di un mOhm/cm2. Al cuore c’è la tecnologia di giunzione SiC che nei laboratori Rohm ha dimostrato tempi di commutazione di soli 16 ns anche alle potenze dell’ordine del kW. In primavera Rohm ha annunciato l’avvio della produzione per volumi di un nuovo modulo di potenza interamente realizzato con transistor e diodi in SiC.

Fig. 5 – Il nuovo Full SiC Power Module realizzato da Rohm per le applicazioni di potenza da 1200V/120A può erogare corrente impulsata fino a 240 A

Il nuovo Full SiC Power Module è caratterizzato per 1200V/120A, ma eroga fino a 240 A di corrente impulsata grazie alla frequenza di commutazione interna di 100 kHz ossia dieci volte maggiore di quella di un analogo modulo che la stessa Rohm fabbrica con transistor IGBT in silicio. In confronto a quest’ultimo nei test sulle prestazioni il modulo in SiC assicura l’85% in meno nelle perdite di commutazione, il 50% in meno nelle dimensioni d’ingombro e, inoltre, addirittura il 1000% in più di robustezza termica. Questo modulo ha tutte le carte in regola per essere implementato in tutte le applicazioni di potenza e consentire di ridurre i consumi di energia nel mondo.

Lucio Pellizzari

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