“C’era una volta il Germanio …” La nostra storia potrebbe cominciare da questo primo materiale semiconduttore che fu utilizzato nei laboratori Bell per realizzare il primo transistore. Ma già negli anni ’70 il Germanio venne abbandonato e sostituito dal silicio e del primo rimase solo il ricordo. Da allora ad oggi il Si ha percorso tanta strada, così tanta che forse si avvicina al suo capolinea e dovrà lasciare spazio a nuovi materiali semiconduttori definiti Wide Band Gap (WBG). SiC (Silicon Carbide) e GaN (Gallium Nitride) sono due semiconduttori della famiglia WBG che si stanno facendo avanti in modo prepotente. Nelle applicazioni di “potenza” e non solo!

Wide Band Gap

In tutti gli elementi allo stato solido gli elettroni, in situazione stazionaria, possono trovarsi ad un livello energetico che è quello che lo vede normalmente legato al suo nucleo – banda di valenza – o in uno stato energetico più elevato che gli consente di muoversi pressoché

liberamente – banda di conduzione.

Il gap energetico tra banda di valenza e conduzione è utilizzato per classificare i materiali

in merito alle caratteristiche elettroniche: si considerano conduttori quelli che esibiscono bande sovrapposte o con un piccolissimo gap, mentre sono definiti isolanti quelli che presentano un'ampia zona interdetta. A metà strada si collocano i semiconduttori, simili agli isolanti, ma con una banda interdetta relativamente poco ampia.

Si, SIC e GaN sono semiconduttori ma mentre il primo ha una banda proibita di 1,12 eV (elettronVolt) SiC e GaN hanno bande proibite relativamente più ampie (wide) rispettivamente di 2,86 e di 3,4 eV (vedi figura 1). Da qui la definizione di semiconduttori wide band gap.

Il grafico mostra anche altri parametri elettrici di questi tre materiali che sono determinanti nel definirne le potenzialità applicative.

Il primo è relativo alla mobilità degli elettroni, ovvero alla velocità con cui le particelle cariche si muovono quando sollecitate da un campo elettrico. La maggiore mobilità degli elettroni in

SiC e GaN rispetto al Silicio li rende in grado di eseguire commutazioni più veloci poiché le cariche tipicamente accumulate nelle giunzioni si possono disperdere più rapidamente.

Il punto di fusione più elevato ma soprattutto una migliore conducibilità termica del SiC rendono questo materiale in grado di operare a temperature più elevate rispetto al silicio. Infine una banda proibita più ampia insieme a una tensione di rottura decisamente più elevata rendono questi semiconduttori in grado di operare a tensioni più elevate di quanto non possa fare il Silicio.

L’impatto nelle applicazioni di potenza

Le caratteristiche menzionate si traducono, per i dispositivi WBG, nei

seguenti tre punti:

012345

Campo Elettrico [MV/cm]

Conducibilità Termica

[W/cm•°C]

Punto di Fusione

[x1000 °C]

Mobilità Elettroni

[x10^7 cm/s]

Energia di Gap [eV]

SiSiCGaN

Frequenza di commutazioneelevata

Figura 1 • Parametri elettrici di Si, SiC e GaN a confronto.

Wide Band Gap: una rivoluzione già iniziata Carburo di Silicio (SiC) e Nitruro di Gallio (GaN) sono i semiconduttori che si stanno preparando a

sostituire il Silicio nella applicazioni di potenza, … ma come il Silicio dovranno ancora fare tanta strada.

1. Consumi e costi ridotti: poiché i semiconduttori WBG sono più efficienti di quelli al Si si dissipa meno energia in calore con il risultato di avere dimensioni più ridotte dei sistemi e quindi costi più contenuti.

2. Più elevate densità di potenza (volumi più ridotti): frequenze di commutazione e temperature operative più elevate di quelle del Si necessitano di meno impegno sul fronte del raffreddamento (dissipatori più compatti).

3. Frequenze di commutazione più elevate consentono induttanze e condensatori più piccoli. Induttanze e capacità scalano con la frequenza, un aumento di 10x della frequenza porta una diminuzione di 10x dei valori di induttanze e capacità.

Gli analisti ci credono: 3,7 miliardi nel 2025.

Secondo IHS “il mercato emergente dei semiconduttori di Potenza in tecnologia SiC e GaN è previsto crescere e superare la soglia del miliardo di dollari in cinque anni spinto dalla domanda di veicoli ibridi ed elettrici, alimentatori e inverter per il fotovoltaico. Le vendite di SiC e GaN crescerà ancora per arrivare poi a 3,7 miliardi di dollari nel 2025 con una crescita media annua (CAGR) del 33% partendo dai 210 milioni del 2015.”

I diodi Schottky SiC sono sul mercato ormai da più di quindici anni mentre l’introduzione di MOSFET, JFET (Junction-gate Field-Effect Transistors), BJT (Bipolar Junction Transistors) sono di introduzione più recente e se i primi diodi erano diffusi su fette da due pollici oggi la maggior parte della produzione è su wafer da sei pollici.

MOSFET GaN sono apparsi sul mercato abbastanza recentemente ma con un elevato potenziale di riduzione dei costi. Questo è reso possibile dal fatto che la crescita epitassiale del GaN può essere fatta su substrati di Silicio che sono più grandi (fino a 8 pollici) e decisamente meno costosi.

Per il 2020 gli analisti si aspettano che i MOSFET GaN raggiungano la parità con quelli al Silicio di uguali prestazioni.

I partecipanti alla gara vedono come leader Cree Power, oggi Wolfspeed, Toyota, GE, Infineon (che ha acquisito International Rectifier), STMicroelectronics e Rohm insieme a tanti altri.

Il posizionamento

Il grafico di figura 2, sviluppato da Yole Developpement, mostra in un colpo d’occhio come le due nuove tecnologie GaN e SiC si stanno posizionando nelle applicazioni di potenza.

Una prima distinzione significativa tra GaN e SiC è legata al range di tensione in cui

i due possono operare: il GaN può operare fino a 600 volt ed è in questa area che si appresta ad aggredire la fascia alta dei prodotti che fino ad oggi si rivolgevano ai MOSFET Super Junction. Ma al diminuire dei prezzi questa copertura tenderà ovviamente ad allargarsi verso il basso.

La tecnologia SiC che vede già componenti in grado di operare a 1200 e 1700 volt, con promesse di tensioni anche superiori, si appresta a coprire la fascia alta dei prodotti per i settori industriali, dell’energia e dei trasporti scalzando gli IGBT che fino ad oggi hanno colonizzato questi settori.

MOSFETTRIACBipolar

GaN GaN

IGBT

SiC

ThyristorIGCT….Pr

oduc

tRan

ge

200V 600V >3300V1200V

Figura 2 • Posizionamento delle diverse tecnologie per la potenza

Cortesia Yole Developpement