Un breve excursus sui semiconduttori Wide Band Gap inaugura una rubrica di collaborazione fra Selezione di Elettronica e ASSODEL, Associazione Distretti Elettronica in Italia, associazione che, dal 1984, rappresenta un riferimento per fornitori di componentistica elettronica e per aziende italiane che operano nell’elettronica industriale.
Carburo di Silicio (Silicon carbide - SiC) e Nitruro di Gallio (Gallium nitride - GaN) rientrano in quella categoria di semiconduttori definiti Wide Band Gap o WBG, caratterizzati da una banda proibita, ovvero la differenza tra la banda di valenza e quella di conduzione, particolarmente ampia.
Dalla prima riga in tabella 1 è evidente come, per i WBG, il gap di banda sia, tre volte superiore a quello del silicio.
| Caratteristica [unità] | Si | GaN | 4H-SiC |
| Gap di banda [eV] | 1,12 | 3,39 | 3,26 |
| Mobilità elettronica μn [cm2/V s] | 1,12 | 900 | 1000 |
| Costante dielettrica r [C2/N m2] | 11,8 | 10,0 | 9,7 |
| Campo elettrico di breakdown EC [MV/cm} | 0,3 | 2,2 | 3,3 |
| Conducibilità termica k [W/cm K] | 1,5 | 2,0 | 4,9 |
Tabella 1
Un maggiore gap di banda consente di:
-Ottenere una minore dipendenza dalla temperatura dei principali parametri del dispositivo.
-garantire una tensione di rottura molto più elevata.
-Avere una resistenza per unità di superficie decisamente più bassa a parità di tensione di breakdown, come evidenziato dal grafico presentato qui in basso
I pregi di SiC e GaN rispetto al Silicio
Un grande vantaggio dei MOSFET SiC e GaN è il basso valore di resistenza ottenibile tra source e drain in fase di conduzione (RDS-ON), che nel caso del SiC può essere tra le 300 e le 400 volte inferiore rispetto a dispositivi al silicio con tensione di breakdown simile.
La riduzione di RDS-ON contribuisce a ridurre le perdite in conduzione.
Se si mette a confronto la perdita di energia nel passaggio dallo stato di conduzione a quello di interdizione (turn-off) tra IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, dispositivi di commutazione di elevata potenza al silicio), e MOSFET SiC, risulterà che in questi ultimi può essere anche di 100 volte superiore.
La quasi totale assenza di coda di corrente nel passaggio da conduzione a interdizione consente un turn-off più veloce, perdite di interdizione drasticamente ridotte e la possibilità di operare a frequenze di commutazione più elevate.
In applicazioni switching, quindi, i MOSFET SiC offrono perdite di potenza inferiori, la possibilità di operare a tensioni più elevate, fino a 1.700 V e a frequenze anche di dieci volte superiori. Inoltre, con una conducibilità termica (W/cm x °C) di almeno tre volte migliore rispetto ai dispositivi in silicio, i MOSFET SiC possono operare a temperature più elevate e semplificare la progettazione termica.
La superiorità rispetto ai dispositivi in silicio in applicazioni di potenza è confermata anche per i dispositivi GaN. Anche in questo caso il valore della RDS-ON, che genera le perdite di conduzione, è decisamente più ridotto dei concorrenti al silicio, così come le perdite di commutazione sono invece principalmente legate alle capacità parassite del dispositivo, e alla quantità di carica necessaria al gate per fare commutare il dispositivo.
Applicazioni di potenza dei dispositivi Wide Band Gap SiC e GaN
I WBG stanno insidiando il dominio esercitato fin qui dal silicio, dividendosi il mercato a seconda delle applicazioni, con i GaN che occupano la fascia Mid/Low Voltage (25 V – 650 V) e i dispositivi SiC nell’area che va dai 600 V a 3,3 kV.
È soprattutto in questo intervallo che la tecnologia SiC, grazie alla capacità di operare a tensioni elevate, può esprimere al meglio il vantaggio della migliore efficienza. In particolare, si sta sempre più diffondendo in settori quali:
E-mobility: per i motori di auto elettriche e ibride e per le infrastrutture per la ricarica dei veicoli elettrici, strutture particolarmente complesse, che nei sistemi di ricarica rapida possono arrivare a dover erogare centinaia di kilowatt.
Trasporto dell’energia: per il quale ci si sta muovendo verso l’uso della DC ad alta tensione
Energia eolica: con sistemi che arrivano facilmente a generare potenze nell’ordine della decina di megawatt.
Ferroviario: l’elettronica per il pilotaggio dei motori richiede la capacità di operare con diversi megawatt;
Fotovoltaico: con diversi livelli di potenza a seconda che si tratti di campi di celle FV o di sistemi domestici;
Automazione industriale: robotica, macchine operatrici.
I tassi di crescita annua variano a seconda del settore, così come mostrato dal grafico
Le prospettive di mercato dei dispositivi Wide Band Gap
La transizione a una economia più verde e carbon-free sta portando all’esplosione della domanda di inverter e converter da tutti i settori. Sono due le aree del mercato odierno che raccolgono le più grosse porzioni di componenti WBG: i veicoli elettrici e ibridi, che saranno sicuramente dominati dalla tecnologia SiC per livelli di tensione tipicamente superiori ai 650 volt e gli alimentatori, che vedranno entrambe le tecnologie competere. Seguono gli UPS (Uninterruptible Power Supply), l’infrastruttura che dovrà nascere per sostenere la mobilità elettrica e gli inverter per il fotovoltaico.
