[iscritti estratto=500] di Maurizio Di Paolo Emilio
Il Nitruro di gallio (GaN) è un semiconduttore a gap diretta comunemente usato nei diodi a emettitori di luce. Il composto è un materiale molto duro che ha una struttura cristallina con una band gap di 3,4 eV e bassa sensibilità alle radiazioni ionizzanti tale da renderlo ideale per applicazioni satellitari (array di celle solari) e optoelettroniche. In particolare, poiché i transistor GaN possono operare a temperature molto più alte, sono ideali per amplificatori di potenza alle frequenze delle microonde. Approfondiremo la tecnologia con esempi applicativi e affronteremo il mercato per analizzare l’evoluzione con la realizzazione di nuovi dispositivi.

Introduzione

Negli ultimi anni il rapporto costo-prestazioni di materiali alternativi (come GaN, SiC) hanno iniziato a sfidare in maniera dirompente i dispositivi basati sul Silicio (Si) per un progressivo cambiamento tecnologico.

Da un lato, il GaN consente tensioni di breakdown vicino al Silicio ed elevata mobilità degli elettroni (infatti, tali dispositivi sono spesso chiamati “ad elevata mobilità elettronica”, Transistori HEMT); dall’altro l’industria GaN è matura grazie agli sviluppi della optoelettronica (notevole applicazione nel campo del lighting LED) e ci sono già molti fornitori nel mercato che hanno portato a riduzioni di prezzo prevedibili rispetto al SiC.

La disponibilità di dispositivi GaN a basso costo è stata migliorata dalle tecniche di produzione di processo e con l’adozione di substrati più economici. Ciò ha richiesto uno sforzo significativo in ingegneria per migliorare l’affidabilità del dispositivo e per mantenere elevate prestazioni, senza subire problemi di disallineamento e dilatazione termica. Il silicio è il substrato preferito perché è facilmente disponibile in grandi wafer di diametro opportuno e a basso costo. Substrati alternativi, come SiC e Zaffiro, potrebbero rendere più facile far crescere strati di GaN, ma a causa del loro costo proibitivo risultano non adatti per un’ampia adozione.

Il vantaggio più visibile nell’adozione di dispositivi basati su GaN è una significativa riduzione della Rds(on), ovvero la resistenza interna del dispositivo quando è nel suo stato di conduzione (per esempio nei FET quando VGS = 0).
Tale diminuzione della resistenza viene fornita con una significativa riduzione della carica di gate necessaria per l’accensione del dispositivo.

L’ampio band gap soddisfa le prestazioni del transistor GaN fino a temperature più elevate rispetto a quelli di silicio. I primi semiconduttori a nitruro di gallio (Mesfet) sono stati sperimentalmente dimostrati nel 1993 e sono in fase di sviluppo attivo.
Nel 2010 sono stati resi disponibili i primi dispositivi GaN per sostituire i MOSFET di potenza in applicazioni di commutazione o di conversione di potenza critiche. Questi transistor, chiamati anche FET eGaN, sono costruiti su uno strato sottile di GaN con un wafer di silicio standard, permettendo di mantenere i costi simili al MOSFET di potenza di silicio, ma con prestazioni elettriche superiori.

Struttura base di un FET GaN

In questi ultimi cinque anni, il numero di applicazioni che utilizzano i FET GaN è aumentato esponenzialmente. Sono stati originariamente progettati per migliorare l’efficienza dei convertitori DC-DC isolati e non, con sorprendenti nuove applicazioni emerse ??dalla velocità di commutazione ultra-veloce. Esempi comprendono sistemi RF di monitoraggio per le reti wireless come 4G / LTE e trasferimento di potenza wireless che elimina la necessità di cavi di alimentazione. I FET GaN hanno anche dimostrato la capacità di operare in ambienti estremi che apre molte nuove possibilità per i sistemi di alimentazione satellitari.
La struttura di base è mostrata in Figura 1. Come con qualsiasi FET di potenza, ci sono gate, source e un elettrodo di drain. Gli elettrodi di source e drain passano attraverso lo strato superiore AlGaN per formare un contatto ohmico con la 2DEG (gas di elettroni bidimensionali) sottostante.

Questo crea un cortocircuito tra l’elettrodo di source e il drain finché la zona 2DEG è svuotata di elettroni e il semi-isolante cristallo GaN è in grado di bloccare il flusso di corrente.

Con un 2DEG, gli elettroni non sono legati a qualsiasi atomo e sono liberi di muoversi ad alta conducibilità ed elevata velocità. Per esaurire completamente la zona 2DEG, un elettrodo di gate è posto sulla parte superiore dello strato AlGaN. In molti dei primi dispositivi GaN, questo elettrodo di gate è stato formato come un contatto Schottky sulla superficie superiore. Applicando una tensione negativa a questo contatto, la barriera Schottky diventa polarizzata inversamente. Al fine di trasformare questo dispositivo in OFF è necessaria una tensione negativa rispetto a entrambi gli elettrodi di drain e source. Questo tipo di FET è chiamato a modalità di esaurimento, o d-mode, HFET. Nelle applicazioni di conversione di potenza, dispositivi d-mode sono poco raccomandabili poichè, all’avvio di un convertitore di potenza, una polarizzazione negativa deve essere prima applicata ai dispositivi di potenza per evitare un cortocircuito. Un dispositivo a modalità enhancement (e-mode), d’altra parte, non necessita di questa limitazione. 

Figura 1: Struttura base di un FET GaN
Figura 1: Struttura base di un FET GaN

 
Disponibili in commercio, i FET GaN sono progettati per avere prestazioni più elevate e costi inferiori rispetto ai MOSFET di potenza a base di silicio. Questo risultato segna per la prima volta in 60 anni una tecnologia che si confronta con il silicio sia in termini di prestazioni e costi.

La base dei vantaggi prestazionali del nitruro di gallio è che utilizza un meccanismo di conduzione diverso rispetto silicio. Con il nitruro di gallio (GaN), un sottile strato di nitruro di gallio alluminio (AlGaN) viene applicato al GaN formando un gas di elettroni bidimensionali (2DEG). Ciò si traduce in un dispositivo molto più piccolo per una determinata RDS (ON). Un dispositivo più piccolo e una struttura di gate laterale produce una capacità di gate che è significativamente inferiore rispetto ad un MOSFET comparabile (Figura 2 e 3). Capacità e ingombro del package ultra-piccolo con una commutazione veloce, permettono ai progettisti di spingersi a frequenze e densità di potenza ben oltre quelle del MOSFET di silicio. FET eGaN (Figura 2) hanno una tipica tensione di soglia di gate-source di 1,4 V, che è basso rispetto a molti MOSFET utilizzati nella conversione di potenza. 

Figura 2: Struttura di un FET eGaN
Figura 2: Struttura di un FET eGaN
Figura 3: Parametro Rds(on) in funzione della tensione di breakdown per Si, SiC e GaN
Figura 3: Parametro Rds(on) in funzione della tensione di breakdown per Si, SiC e GaN

Mercato: evoluzione

Il nuovo rapporto di mercato della società di ricerche Yole Développement “Power GaN market” prevede un mercato di 600 milioni dollari per dispositivi al nitruro di gallio (GaN) entro il 2020, che si traduce in circa 580.000 wafer a sei pollici. A partire dal 2016, il tasso di crescita composto annuo (CAGR) sarà di circa l’80% fino al 2020, sulla base del presupposto che veicoli elettrici / veicoli ibridi elettrici (EV / HEV) inizieranno ad adottare tali materiali durante il periodo 2018-2019.
Alla domanda sul ruolo del GaN nel mercato EV / HEV, i produttori di auto hanno risposto positivamente, affermando che nonostante il lungo tempo di qualifica, EV / HEV offrono un buon punto di atterraggio per la tecnologia. I produttori di automobili rivolgeranno il loro mercato verso i convertitori DC-DC, in via preliminare, considerando anche l’utilizzo di GaN per caricabatterie.

Eppure, non è chiaro a questo punto se materiali di GaN possono resistere alla potenza di 80 kW richiesto in EV / HEV. Il settore degli alimentatori si prevede di dominare il mercato del GaN nel 2015-2018, pari al 50% delle vendite di dispositivi; probabilmente, prenderà anche una quota di mercato del 15% nelle applicazioni UPS entro il 2020.
A causa del possibile miglioramento di efficienza di conversione e forte di una prevista parità di prezzo con le soluzioni in silicio entro il 2018, il rapporto della Yole prevede che l’attuazione del GaN in controllo del motore raggiungeranno circa 45 milioni dollari entro il 2020 (Figure 4 e 5).

Le prospettive per molte aziende nel prossimo anno, invece, non sembrano buone, generando solo 10 milioni di dollari per le vendite di dispositivi, il che significa che solo le imprese più forti sopravvivranno nelle prime applicazioni di materiali al GaN. Entro il 2016, però, è previsto uno slancio per le aziende con un fatturato che sfiorerà i 50 milioni di dollari.

Fusioni, acquisizioni e accordi di licenza stimoleranno lo slancio e, in ultima analisi, la forma del settore del GaN. Un esempio è l’ultimo accordo Transphorm-Fujitsu che consentirà una drammatica espansione del business dei dispositivi di potenza al GaN di Transphorm per applicazioni di commutazione. Questo sarà in grado di soddisfare le richieste del mercato crescente, consentendo in tal modo la prossima ondata di sistemi di conversione di potenza ad alta efficienza. 

Figura 4: Mercato della tecnologia GaN in ambito RF [Fonte: Yole Développement]
Figura 4: Mercato della tecnologia GaN in ambito RF [Fonte: Yole Développement]
  Figura 5: Mercato della tecnologia GaN per i prossimi anni [Fonte: Yole Développement]

Figura 5: Mercato della tecnologia GaN per i prossimi anni [Fonte: Yole Développement]

Uno sguardo al Mercato dei IC GaN

Il Nitruro di gallio (GaN) è una nuova tecnologia che offre nuovi livelli di prestazioni e densità per la commutazione nei convertitori di potenza. Texas Instruments si impegna a fornire componenti principali di potenza e moduli di facile utilizzo in grado di soddisfare i requisiti di sistema ad alta qualità e affidabilità.

Ultimamente la Texas Instruments ha introdotto sul mercato, il primo transistore ad effetto di campo (FET) 80 V, 10-A a nitruro di gallio completamente integrato (GaN), costituito da un driver ad alta frequenza e due GaN FET in una configurazione a semiponte,  il tutto in un package Quad Flat no-lead (QFN). Il pacchetto QFN di 6 x 8 mm facile da usare, non richiede underfill che semplifica notevolmente la fabbricazione.

LMG5200 (Figure 6 e 7) presenta funzionalità avanzate della tecnologia di packaging multichip ed è ottimizzato per supportare topologie di power conversion con frequenze fino a 5 MHz.

La forma ridotta solidifica il valore della tecnologia GaN che contribuisce ad aumentare l’adozione di modelli di potenza GaN in molte nuove applicazioni, che vanno dalle nuove applicazioni di ricarica wireless ad alta frequenza a 48-V telecom e design vari industriali (Figura 8).

Inoltre, i progettisti possono far riferimento a SPICE e modelli TINA-TI per la LMG5200, sfruttando i vantaggi di questa tecnologia per simulare le prestazioni e la frequenza di commutazione. 

Figura 6: LMG5200 (Schema a blocchi)
Figura 6: LMG5200 (Schema a blocchi)
Figura 7: LMG5200, esempio di un circuito convertitore buck
Figura 7: LMG5200, esempio di un circuito convertitore buck
Figura 8: LMG5200, Rdc(on) in funzione della temperatura di giunzione
Figura 8: LMG5200, Rdc(on) in funzione della temperatura di giunzione

 
I MMIC (circuiti integrati a microonde monolitici) basati sul GaN (nitruro di gallio) HEMT (transistor a elevata mobilità di elettroni) di Cree consentono di ottenere ampiezze di banda estremamente elevate in package di ridotte dimensioni.

CMPA5585025F di Cree è un circuito integrato monolitico HEMT a nitruro di gallio (GaN) per microonde. Il GaN ha proprietà superiori rispetto al silicio o arseniuro di gallio, tra cui una maggiore tensione di rottura, velocità degli elettroni e alta conducibilità termica. GaN HEMT offrono anche una maggiore densità di potenza e larghezze di banda più ampie rispetto al Si e transistor GaAs. Questo MMIC è disponibile in un package di ceramica per prestazioni elettriche e termiche ottimali. La linea di prodotti della Microsemi MiGaNTM, inoltre, sono dei dispositivi Switch GaN enhancement-mode orientati verso l’alta affidabilità e mercati spaziali. Questi dispositivi comprendono una gamma di tensione di rottura da 40 V a 200 V con Rds(on) nell’intervallo 7-25 m?, ottimizzati per la conversione DC-DC isolata e altre applicazioni di azionamento del motore (Figura 9). 

Figura 9: CMPA5585025F di Cree
Figura 9: CMPA5585025F di Cree

Conclusioni

Efficient Power Conversion (EPC), GaN Systems, Transphorm, Texas Instrument e Panasonic sono solo alcune delle aziende che lavorano per incrementare le prestazioni dei dispositivi al GaN.  Oggi ci sono importanti passi avanti nei settori della medicina come sistemi impiantabili, imaging e le protesi che sono resi possibili per l’avvento della tecnologia al GaN. In questo anno 2015, i sistemi di alimentazione wireless utilizzeranno la tecnologia al GaN per fornire energia in modalità wireless per ricaricare telefoni cellulari e tablet.  Inoltre, con la tecnologia al GaN applicata ai satelliti, è possibile ridurre la dimensione dell’elettronica, eliminare la schermatura e migliorare notevolmente le prestazioni dei sistemi. L’emergere della tecnologia al GaN accoppiata con le innovazioni spaziali, cambierà il modo di esplorazione ponendo le basi per la “colonizzazione dello spazio”.

…se ti interessano i Progetti con Arduino!

Arduino Projects
Arduino Projects

File ZIP - 25,55 MB

Scarica

…se ti interessano i Motori Passo Passo!

I Motori Passo Passo
I Motori Passo Passo

File PDF - 2,13 MB

Scarica

…se sei un amante dei microcontrollori PIC, scopri i volumi PIC Projects!

PIC Project vol.1
PIC Project vol.1

File ZIP - 14,6 MB

Scarica

DE-PICPROJECTS2
DE-PICPROJECTS2

File PDF - 12,44 MB

Scarica

…se invece preferisci gli AVR, scopri AVR projects!

AVR Project vol.1
AVR Project vol.1

File ZIP - 11,76 MB

Scarica
 

[/iscritti]

GIOVANNI DI MARIA