A széles tiltott sávú félvezetőanyagok új szintre emelik a teljesítményt

Ez a cikk elméletben ismerteti a széles tiltott sávval rendelkező anyagok előnyeit, az alkalmazott gyártási technológiákat, és azt, hogy ezek miért különösen alkalmasak a mai elektronikai tervezők előtt álló kihívásokra.

Mindössze egy évtizedbe telt, amíg az elektronikai ipar a tranzisztor kezdeti kifejlesztése után a szilíciumot választotta elsődleges hordozóanyagként, és ezzel megnyitotta az utat az integrált áramkör kifejlesztése előtt. Bár tulajdonságai nem minden alkalmazáshoz ideálisak, hozzáférhetősége, könnyű feldolgozhatósága és teljesítménye elég volt ahhoz, hogy a félvezetőipar alapjává váljon.
Az évtizedek során az ipar sokat tanult a szilícium kristálytulajdonságairól. A feszített szilícium például csaknem 20 évvel ezelőtt vált a tranzisztorok fejlesztésének fontos elemévé. Ennek során anyagrétegeket használnak a szilícium-kristályrácsok helyi torzítására azzal a céllal, hogy javítsák az ezeken a csatornákon áthaladó elektromos hordozók mobilitását. Ez a fajta kristálytechnika segített újra bevezetni az iparban a nem szilíciumból készült és az összetett félvezetőket, amelyeket jobb elektromos tulajdonságaik ellenére túl nehéznek, drágának vagy törékenynek tartottak a felhasználáshoz.

Gyártási folyamatok és anyagok – a fejlődés kulcsai

A gallium-nitridet (GaN) például fél évszázaddal ezelőtt félvezetőanyagként vizsgálták, de a vele készült eszközökhöz drága és törékeny zafírszubsztrátokat kellett használni. Ma már a GaN rétegek megbízhatóan és hibátlanul növeszthetők a szilíciumszelet felületén. Ez megnyitotta az utat a nagy teljesítményű eszközök egyre szélesebb köre előtt. Hasonlóképpen, a gyártási folyamatok fejlesztésének köszönhetően a szilícium olyan vegyületei, mint a szilícium-karbid (SiC) – amely majdnem olyan kemény, mint a gyémánt –, gyakorlatilag sorozatban gyárthatóvá váltak.
Mind a GaN, mind a SiC olyan félvezető, amely a hagyományos szilíciumeszközöknél háromszor nagyobb tiltott sávot mutat a valenciasáv (vegyértéksáv) és a vezetési sáv között. Ez, valamint e félvezetők egyéb tulajdonságai rendkívül alkalmassá teszik őket a nagy teljesítményű áramkörök számára. Az anyagok a tipikus szilíciumeszközöknél tízszer nagyobb kritikus térerősséget mutatnak. Ennek eredménye a magasabb átütési feszültség, amely felhasználható a tápegységekben és más áramkörökben használt tranzisztorok méretének és költségének csökkentésére, amelyeknek nagy feszültség- és áramszintek szabályozására van szükségük.
A magas kritikus térerősség és az átütési feszültség miatt egy függőleges dióda vagy tranzisztor driftzónája sokkal vékonyabbá tehető a SiC használatával, mint a szilíciumból készült eszközöké. Ez nemcsak a bekapcsolási ellenállás csökkenését eredményezi – ami jelentősen kisebb teljesítményveszteséget eredményez, amikor az eszköz áramot vezet –, hanem rövidebb feléledési időhöz is vezet, mivel kevesebb kisebbségi töltéshordozót kell kiüríteni, amikor például egy dióda fordított előfeszítésű. Egy olyan eszköz, mint a WeEn Semiconductors által gyártott WNSC021200 esetében a visszanyert töltés mindössze 10 nC, ami jóval alacsonyabb, mint a tipikus szilícium PiN diódáknál tapasztalt érték.

WEEN Semiconductors – WNSC021200

A méret és a mobilitás mint a jövőbeli alkalmazások fő mozgatórugói

A tranzisztor kisebb mérete viszont a paraziták, például a kapu és a kimeneti kapacitás csökkenéséhez vezet. A hatások kombinációja magasabb frekvenciákat eredményez a kapcsolóüzemű tápegységekben és hasonló áramkörökben. A GaN-eszközök például jóval 1 MHz feletti kapcsolási frekvenciákat képesek támogatni. Ilyen frekvenciákon lehetővé válik kisebb passzív alkatrészek használata is, amelyeket általában a kapcsolási tranziensek kiegyenlítésére használnak. Az eredmény egy kisebb, hatékonyabb tápegység.
Az olyan gyártók, mint a Power Integrations, a GaN tulajdonságait kihasználva integrált tápegységkapcsoló IC-ket gyártanak. Ilyen például az INN3276C-H204, egy offline flyback kapcsoló IC, integrált primer oldali kapcsolóval, amely alkalmas állandó teljesítményű akkumulátortöltő alkalmazásokhoz. Az eszköz akár 35 W teljesítményt is támogat; a vállalat PowiGaN családjának más termékei akár 100 W teljesítményt is képesek létrehozni hűtőborda nélkül.

Power Integrations – INN3276C-H204

A GaN másik tulajdonsága a sajátosan nagyobb töltéshordozó mozgékonysága, amely közel 40%-kal nagyobb, mint a szilíciumé. A nagy mobilitás abból adódik, hogy az alkotóanyagok közötti határfelületeken kétdimenziós elektrongáz alakul ki, ami a nagy elektronmobilitású tranzisztorok (HEMT-k) sajátja, és más anyagokban, például a gallium-arzenidben (GaAs) is megtalálható. Ez a nagy mobilitási tulajdonság vezetett a GaN alkalmazásaihoz, például a bázisállomásokhoz és a tudományos műszerekhez. A Nexperia eszközeit kifejezetten erre a piaci szektorra tervezték.
A cellás kommunikációban alkalmazott RF-alkalmazásokon túl a vezeték nélküli töltés gyorsan növekvő területén egyre nagyobb átfedés van az RF-tervezés és az energiaellátás között. Az AirFuel szabvány például 6,78 MHz-es átviteli frekvenciát ír elő. Az olyan eszközök, mint az Infineon Technologies CoolGaN teljesítménytranzisztorai kiválóan alkalmasak az ezekben az alkalmazásokban használt D és E osztályú erősítő topológiákhoz.

Infineon CoolGaN

A SiC-et a szilíciumnál magasabb kapcsolási frekvenciák támogatására való képessége miatt nagyfeszültségű orvosi berendezésekben, például röntgenberendezésekben és más teljesítményalkalmazásokban is felhasználják. A SiC MOSFET-ek, mint például a ROHM SCT3 családjába tartozó MOSFET-ek által támogatott szinte azonnali kapcsolást az xR sorozatban a módosított TO-247 tok négykivezetéses konfigurációja egészíti ki. Ezt a kialakítást olyan alkatrészeknél alkalmazzák, mint az SCT3060ARC14, egy 39 A-es, 650 V-os MOSFET, amely a hagyományos háromkivezetéses tokformához képest akár 35%-kal csökkenti a kapcsolási veszteségeket. A kapu meghajtójától különálló source meghajtócsatlakozás használata segít minimalizálni a parazitainduktivitást, ami alkalmas az áramkör kapcsolási sebességének növelésére.
A széles tiltott sávval rendelkező félvezetők másik fő előnye, hogy képesek forró állapotban is működni, ami további méret- és költségelőnyöket eredményez. A tranzisztoroknak például nincs szükségük nagy hűtőbordákra a hő elvezetéséhez, amire a szilícium MOSFET-eknek szükségük van ahhoz, hogy ne szenvedjenek veszteségeket a magasabb bekapcsolási ellenállás miatt magas hőmérsékleten. A SiC tovább megy a GaN-nél, mivel olyan körülmények között is képes működni, amelyekben a szilíciumeszközök nem. Ennek köszönhetően a SiC egyre népszerűbb választássá vált az autóipari, katonai és fúróipari alkalmazások áramköreihez: a motortér közelébe, a fékek vagy a fúrófejek mellé szerelve még akkor is működőképes marad, ha a hőmérséklet eléri a 200 °C-ot. A magasabb hőmérsékletek támogatására ezeket az eszközöket gyakran csupasz chip formájában szállítják, hogy speciális, magas hőmérsékletű tokokba integrálhatók legyenek. A Genesic Semiconductor, a Littelfuse, az OnSemi és mások által gyártott DPAK vagy TO-247 típusú, általánosan elérhető tokozati formák közül azonban sokan akár 175 °C-os csatlakozási hőmérsékleten is működnek.

Az intelligens vezérlés, a GaN, a SiC és a kapcsolódó technológiák legjobb megvalósításának módja

A széles tiltott sávú félvezetőanyagok által lehetővé tett nagy kapcsolási frekvenciák megengedik a tervezők számára, hogy újszerű vezérlési sémákat, például mátrixátalakítást alkalmazzanak. Ez a nagy teljesítményű váltakozó áramú motorok vezérléséhez használt térvektoros modulációs számításokat alkalmazza egy olyan architektúrában, amely a hagyományosabb topológiák kapcsolási sebességét növelő alternatívaként a tápegységek szélesebb körében alkalmazható. A kapumeghajtók teljesítménye ugyanolyan fontos mindezen gyors kapcsolású áramköri architektúrákban. Az Infineon a CoolGaN teljesítményeszközök és a CoolSiC tranzisztorok és diódák gyártása mellett olyan technológiákba is befektetett, mint az EiceDriver. Az EiceDriver egy olyan kapumeghajtó-kialakítás, amely magas szintű közös módusú elnyomást alkalmaz, hogy lehetővé tegye a nem izolált topológiák használatát az alkalmazások szélesebb körében, ami együtt jár az alkatrészköltségek (BoM) csökkenésével.
Az intelligens vezérlés iránti igény a mikrokontrollereket és a teljesítménytranzisztorokat egyesítő, nagymértékben integrált teljesítményű eszközök fejlesztését ösztönzi, kihasználva a „rendszer a tokban” (SIP) gyártás fejlődését. Az STMicroelectronics nemrégiben jelentette be az STi2GaN (ST Intelligent and Integrated GaN) kezdeményezést. Ez a GaN teljesítményfokozatokat és a BCD-vel megvalósított vezérlő logikát a meghajtó és leválasztó áramkörökkel együtt egyetlen SIP-ben helyezi el. Ezeknek az áramköri elemeknek a szoros összekapcsolása segít a tápegységek tervezését a megahertzes tartományba tolni, valamint segít csökkenteni a teljes NyÁK méretet, ami egyre fontosabbá válik az elektromos autók tervezésénél, ahol sok elemet kell párhuzamosan összeszerelni, valamint a fogyasztói akkumulátortöltőknél.
Ahogy az ipar egyre jobban megérti a széles tiltott sávú anyagokat, a szilícium-áramkörökkel való integráció számos alkalmazásban fog szerepet játszani. Könnyen belátható, hogy miért szorítják ki a hagyományosabb szilíciumeszközöket számos területen. Egy olyan tapasztalt műszaki forgalmazó, mint a Farnell, útmutatást adhat a mérnököknek arról, hogy a GaN, a SiC és a kapcsolódó technológiák hol használhatók a legjobban, és hogyan fejlődnek az eszközgyártók ütemtervei, hogy új alkalmazásokba tereljék őket.

Szerző: Cliff Ortmeyer –
a Farnell műszaki marketing globális vezetője

Farnell element14
Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016 413
Műszaki támogatás e-mailben: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hu.farnell.com
www.element14.com