nitruro di galliotransistor eCarburo di silicioIl MOSFET è un semiconduttore di potenza emergente negli ultimi due o tre anni. Rispetto ai tradizionali semiconduttori di potenza al silicio, presenta numerose caratteristiche eccellenti: elevata tensione di tenuta, bassa resistenza di conduzione, bassi parametri parassiti, ecc. Possiede inoltre caratteristiche uniche: i parametri parassiti estremamente bassi e la velocità di commutazione estremamente elevata dei transistor al nitruro di gallio li rendono particolarmente adatti per applicazioni ad alta frequenza. La facilità di pilotaggio e l'elevata affidabilità del MOSFET al carburo di silicio lo rendono ideale per alimentatori switching ad alte prestazioni.

Questo articolo si basa sui transistor al nitruro di gallio e sui MOSFET al carburo di silicio di Infineon e fornisce un'introduzione dettagliata alle loro strutture, caratteristiche e differenze applicative.      
In quanto gemelli ineguagliabili della terza generazione di semiconduttori di potenza, i transistor al nitruro di gallio e i MOSFET al carburo di silicio stanno attirando sempre più l'attenzione dell'industria, in particolare degli ingegneri elettronici. Il motivo per cui gli ingegneri elettronici prestano tanta attenzione a questi due semiconduttori di potenza risiede nei numerosi vantaggi che i loro materiali offrono rispetto ai tradizionali materiali al silicio, come illustrato nella Figura 1. L'ampiezza maggiore del band gap e la maggiore intensità del campo critico del nitruro di gallio e del carburo di silicio conferiscono ai semiconduttori di potenza basati su questi due materiali caratteristiche eccellenti come elevata tensione di tenuta, bassa resistenza di conduzione e piccoli parametri parassiti. Se utilizzati nel campo degli alimentatori switching, presentano i vantaggi di basse perdite, alta frequenza operativa e alta affidabilità, che possono migliorare notevolmente l'efficienza, la densità di potenza e l'affidabilità degli alimentatori switching.      
          Figura 1: Confronto delle principali proprietà del silicio, del carburo di silicio e del nitruro di gallio
Grazie alle eccellenti caratteristiche sopra descritte, i transistor al nitruro di gallio e i MOSFET al carburo di silicio trovano sempre più impiego in ambito industriale e il loro utilizzo si estenderà ulteriormente. La Figura 2 mostra i campi di applicazione e le previsioni di vendita di questi due semiconduttori di potenza, secondo IHS Markit. Con l'espansione dei campi di applicazione, anche le vendite di transistor al nitruro di gallio e MOSFET al carburo di silicio aumenteranno significativamente. La Figura 3 riporta le previsioni di vendita per questi due semiconduttori di potenza, sempre secondo IHS Markit.      
      Figura 2: Campi di applicazione e previsioni di vendita dei transistor al nitruro di gallio e dei MOSFET al carburo di silicio
      Figura 3: Previsioni di vendita dei transistor al nitruro di gallio e dei MOSFET al carburo di silicio
Nel Capitolo 2 di questo articolo, verranno descritte in dettaglio la struttura e le caratteristiche dei transistor al nitruro di gallio. Il Capitolo 3 illustrerà in dettaglio la struttura e le caratteristiche dei MOSFET al carburo di silicio. Nel Capitolo 4, verrà condotta un'analisi comparativa sull'utilizzo di questi due semiconduttori di potenza nello stesso circuito, al fine di illustrare più chiaramente le somiglianze e le differenze nelle loro applicazioni. Infine, verrà riassunto l'intero testo.      
             Struttura e caratteristiche del transistor al nitruro di gallio          

Struttura del transistor al nitruro di gallio

A differenza dei semiconduttori di potenza in silicio, i transistor al nitruro di gallio conducono l'elettricità attraverso un gas di elettroni bidimensionale (2DEG) formato dall'effetto piezoelettrico di due materiali con bandgap differenti (solitamente AlGaN e GaN) all'interfaccia, come mostrato in Figura 4. Poiché il gas di elettroni bidimensionale conduce l'elettricità solo con un'elevata concentrazione di elettroni, non si presenta il problema della ricombinazione dei portatori minoritari (ovvero, il recupero inverso del diodo di corpo) del MOSFET al silicio.      
      Figura 4: Schema del principio di conduzione del nitruro di gallio
La struttura del transistor di base al nitruro di gallio mostrato in Figura 4 è quella di un transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) a svuotamento, il che significa che quando non viene applicata alcuna tensione tra gate e source (VGS=0V), il drain del transistor al nitruro di gallio e il componente sono conduttivi, ovvero si tratta di un dispositivo normalmente acceso. Questo è completamente diverso dai tradizionali MOSFET o IGBT normalmente chiusi, che sono molto difficili da utilizzare nelle applicazioni industriali, soprattutto nel campo degli alimentatori switching. Per affrontare questo problema, l'industria solitamente adotta due soluzioni. Una consiste nell'utilizzare una struttura cascode e l'altra nell'aggiungere nitruro di gallio di tipo P al gate per formare un transistor a modo di arricchimento (normalmente chiuso). Le strutture delle due soluzioni sono mostrate in Figura 5.      
      Figura 5: Due strutture di transistor al nitruro di gallio
Il transistor al nitruro di gallio nella struttura a cascata è un transistor al nitruro di gallio a svuotamento in cascata con un MOSFET al silicio a bassa tensione. Il vantaggio di questa struttura è che il suo pilotaggio è esattamente lo stesso di quello di un MOSFET al silicio tradizionale (poiché pilota un MOSFET al silicio). Tuttavia, questa struttura presenta anche notevoli svantaggi. In primo luogo, il MOSFET al silicio ha un diodo di corpo. Quando il nitruro di gallio conduce corrente in direzione inversa, si verifica un problema di recupero inverso del diodo di corpo. In secondo luogo, il drain del MOSFET al silicio è collegato al source del transistor al nitruro di gallio a svuotamento. Durante l'accensione e lo spegnimento del MOSFET al silicio, l'oscillazione tra drain e source è l'oscillazione tra source e gate del transistor al nitruro di gallio. Poiché questa oscillazione è inevitabile, esiste la possibilità che il transistor al nitruro di gallio venga acceso e spento per errore. Infine, poiché due dispositivi di potenza sono collegati in cascata, la possibilità di ridurre ulteriormente la resistenza di conduzione dell'intero dispositivo al nitruro di gallio è limitata.      
A causa dei problemi sopra descritti nella struttura a cascata, la tecnologia principale dei transistor al nitruro di gallio nell'industria dei semiconduttori di potenza è rappresentata dai transistor al nitruro di gallio a modo di arricchimento. Prendendo come esempio il transistor al nitruro di gallio CoolGaN di Infineon Technologies Co., Ltd., la sua struttura dettagliata è mostrata in Figura 6.      
      Figura 6: Schema della struttura di CoolGaN
Come mostrato in Figura 6, gli attuali transistor al nitruro di gallio presenti sul mercato hanno una struttura planare, ovvero source, gate e drain si trovano sullo stesso piano, a differenza della struttura verticale dei MOSFET al silicio rappresentata dalla tecnologia Super Junction. La struttura P-GaN sotto il gate forma il transistor al nitruro di gallio a modo di arricchimento descritto in precedenza. Un'ulteriore struttura P-GaN accanto al drain serve a risolvere il problema del collasso di corrente che si verifica spesso nei transistor al nitruro di gallio. Il substrato dei prodotti CoolGaN di Infineon Technologies Co., Ltd. utilizza materiale al silicio, che può ridurre notevolmente il costo dei materiali dei transistor al nitruro di gallio. Poiché i coefficienti di dilatazione termica dei materiali al silicio e al nitruro di gallio sono molto diversi, vengono aggiunti numerosi strati di transizione tra il substrato e il GaN per garantire che il transistor al nitruro di gallio non subisca problemi di guasto come la delaminazione del wafer in condizioni operative severe come cicli di alta e bassa temperatura e shock termici.      
       

Caratteristiche dei transistor al nitruro di gallio

In base alla struttura illustrata nella Figura 6, CoolGaN presenta le caratteristiche riportate nella Tabella 1 e i vantaggi che ne derivano.      
      Tabella 1: Caratteristiche del CoolGaN e suoi vantaggi
Dalle caratteristiche riportate nella Tabella 1, si evince che i transistor al nitruro di gallio non possiedono un diodo di corpo ma possono comunque condurre corrente inversa, risultando quindi molto adatti per circuiti che richiedono un flusso di corrente inversa dell'interruttore di potenza e che presentano una commutazione rigida, come ad esempio il PFC senza ponte totem pole in modalità di corrente continua (CCM), che consente di raggiungere livelli di affidabilità ed efficienza estremamente elevati. Lo schema topologico del circuito è mostrato in Figura 7. Nella figura, Q1 e Q2 sono transistor al nitruro di gallio, mentre Q3 e Q4 sono MOSFET al silicio.      
      Figura 7: Schema a blocchi della topologia PFC a totem pole con transistor al nitruro di gallio
Dalla Tabella 1 si evince inoltre che il nitruro di gallio presenta una velocità di commutazione estremamente elevata e basse perdite di pilotaggio, risultando quindi molto adatto per applicazioni ad alta frequenza. Gli alimentatori switching ad alta frequenza che utilizzano transistor al nitruro di gallio offrono i vantaggi di un'elevata densità di potenza e di un'elevata efficienza. La Figura 8 mostra un convertitore DC-DC con topologia LLC da 3.6 kW. La frequenza di risonanza dell'LLC è di 350 kHz. La densità di potenza del convertitore raggiunge i 160 W/in³ e l'efficienza massima supera il 98%.      
      Figura 8: Circuito di conversione LLC da 3.6 kW che utilizza CoolGaN
Dall'analisi di cui sopra, si evince che i transistor al nitruro di gallio sono adatti per applicazioni che richiedono elevata efficienza, alta frequenza e alta densità di potenza.      
             Struttura e caratteristiche del MOSFET al carburo di silicio          

Struttura del MOSFET al carburo di silicio

La struttura di un comune MOSFET planare al carburo di silicio è mostrata in Figura 9. Per ridurre la resistenza di canale, questa struttura è solitamente progettata con uno strato di ossido di gate molto sottile, il che comporta rischi per l'affidabilità dello strato di ossido di gate a tensioni di ingresso di gate più elevate. Per risolvere questo problema, il MOSFET al carburo di silicio CoolSiC utilizza una struttura di gate diversa, chiamata MOSFET al carburo di silicio a trincea. La sua struttura di gate è mostrata in Figura 10. Dopo aver adottato questa struttura, la resistenza di canale del MOSFET al carburo di silicio non è più fortemente correlata allo strato di ossido di gate, quindi la resistenza di conduzione può essere estremamente bassa garantendo al contempo un'elevata affidabilità del gate e la fattibilità.      
      Figura 9: Schema strutturale di un MOSFET planare in carburo di silicio.
      Figura 10: Struttura del gate a trincea in CoolSiC
       

Caratteristiche del MOSFET al carburo di silicio

Analogamente ai transistor al nitruro di gallio, anche i MOSFET al carburo di silicio presentano caratteristiche di bassa resistenza di conduzione e bassi parametri parassiti. Inoltre, le loro caratteristiche di diodo intrinseco sono notevolmente migliorate rispetto ai MOSFET al silicio. La Figura 11 confronta i due indicatori principali RDS(on)*Qrr e RDS(on)*Qoss del MOSFET al carburo di silicio CoolSiC di Infineon, resistente a tensioni fino a 650 V, e del CoolMOS CFD7, il MOSFET di potenza al silicio con le migliori prestazioni di diodo intrinseco del settore. Il primo indicatore misura le caratteristiche di recupero inverso del diodo intrinseco, mentre il secondo misura la quantità di carica immagazzinata nel condensatore di uscita del MOSFET. Minori sono i valori di questi due parametri, migliori sono le caratteristiche di recupero inverso e minore è la carica immagazzinata (nella topologia a commutazione dolce, minore è la zona morta richiesta per i transistor di potenza superiore e inferiore della struttura a semiponte). Si può notare che, rispetto ai MOSFET al silicio con una resistenza di conduzione simile, la carica di recupero inversa del MOSFET al carburo di silicio è solo circa 1/6 e la carica sul condensatore di uscita è solo circa 1/5. Pertanto, il MOSFET al carburo di silicio è particolarmente adatto per topologie in cui il diodo di corpo viene spento bruscamente (come nel caso del PFC senza ponte totem pole in modalità continua di corrente) e topologie a commutazione dolce (LLC, ponte intero a sfasamento, ecc.).      
I MOSFET al carburo di silicio possiedono anche una caratteristica eccezionale: la capacità di resistere ai cortocircuiti. Rispetto ai MOSFET al silicio, il tempo di cortocircuito è notevolmente migliorato, aspetto molto importante per le applicazioni di azionamento dei motori, come ad esempio gli inverter. La Figura 12 mostra un grafico comparativo delle capacità di resistenza ai cortocircuiti di CoolSiC e CoolMOS. Come si può notare dalla figura, CoolSiC raggiunge caratteristiche eccellenti, come un lungo tempo di cortocircuito e una bassa corrente di cortocircuito, e la sua affidabilità in condizioni di cortocircuito risulta notevolmente migliorata.      
      Figura 11: Confronto delle prestazioni del MOSFET al carburo di silicio e del MOSFET al silicio
      Figura 12: Confronto delle capacità di cortocircuito dei MOSFET al carburo di silicio
Il capitolo 3 introduce le rispettive strutture e caratteristiche dei transistor al nitruro di gallio e dei MOSFET al carburo di silicio. Di seguito, verranno confrontati i parametri e i circuiti reali dei due tipi di transistor.      
             Confronto tra MOSFET al nitruro di gallio e al carburo di silicio          

Confronto dei parametri elettrici

La Tabella 2 mostra il transistor al nitruro di gallio CoolGaN e il MOSFET al carburo di silicio CoolSiC, confrontando i parametri chiave dei due semiconduttori di potenza.      
      Tabella 2: Confronto dei parametri chiave dei MOSFET CoolGaN e CoolSiC al carburo di silicio
Dalla Tabella 2, possiamo osservare che i parametri dinamici dei transistor al nitruro di gallio sono inferiori a quelli dei MOSFET al carburo di silicio. Pertanto, le perdite di commutazione dei transistor al nitruro di gallio sono inferiori a quelle dei MOSFET al carburo di silicio e i loro vantaggi saranno più evidenti alle alte frequenze operative. Quando la corrente scorre in direzione opposta (dal source al drain), la caduta di tensione del transistor al nitruro di gallio è correlata alla sua tensione di pilotaggio gate-source. Quale dei due valori sia maggiore o minore deve essere confrontato in base alla situazione applicativa. Per l'ultima tensione di soglia Vgs(th), il valore del transistor al nitruro di gallio è molto piccolo, il che significa che è necessario prestare molta attenzione alla progettazione del pilotaggio del transistor al nitruro di gallio. Se il rumore sul gate è elevato, potrebbe causare l'accensione accidentale del transistor al nitruro di gallio. Allo stesso tempo, CoolGaN è una modalità di pilotaggio di tipo corrente, che è diversa dal tradizionale pilotaggio di tipo tensione. La tensione di soglia del MOSFET al carburo di silicio è molto più elevata e i suoi requisiti di pilotaggio sono molto simili a quelli di un IGBT.      
La Figura 13 mostra un confronto di un altro parametro importante, ovvero la velocità di variazione della resistenza di conduzione RDS(on) in funzione della temperatura. È noto che la resistenza di conduzione degli interruttori a semiconduttore di potenza presenta un coefficiente di temperatura positivo, cioè maggiore è la temperatura di giunzione, maggiore è la resistenza di conduzione. Dalla Figura 13 si può osservare che il coefficiente di aumento di temperatura del MOSFET al carburo di silicio è molto inferiore a quello del transistor al nitruro di silicio e del MOSFET al silicio. Quando la temperatura di giunzione è di 100 °C, la differenza ha raggiunto il 30% e il 50%. Secondo la Figura 13, si può osservare che, supponendo che la resistenza di conduzione del MOSFET al carburo di silicio e del transistor al nitruro di gallio sia la stessa a una temperatura di giunzione di 25 °C, nello stesso circuito applicativo, ciò significa che la perdita di conduzione di entrambi (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) è la stessa, ma quando la temperatura di giunzione dei due sale a 100 °C, la perdita di conduzione del MOSFET al carburo di silicio è solo il 70% di quella del transistor al nitruro di silicio, il che è molto interessante per quegli scenari applicativi con requisiti ambientali severi e alta efficienza ad alte temperature.      
      Figura 13: Curve di resistenza di conduzione del MOSFET al carburo di silicio, del transistor al nitruro di gallio e del MOSFET al silicio in funzione della temperatura di giunzione.
       

Confronto delle applicazioni

Innanzitutto, l'impatto dei transistor al nitruro di gallio e dei MOSFET al carburo di silicio sull'efficienza di conversione è stato testato sul circuito PFC senza ponte totem-pole in modalità di corrente continua (CCM) mostrato in Figura 7. Le condizioni di prova sono riportate nella Tabella 3.      
      Tabella 3: Condizioni di prova del circuito PFC
Nel test, sono stati testati due dispositivi di resistenza di conduzione per ciascun interruttore di potenza. Per il transistor al nitruro di gallio, la RDS(on) era rispettivamente di 35 mohm e 45 mohm, mentre per il MOSFET al carburo di silicio era rispettivamente di 65 mohm e 80 mohm. I risultati del test sono mostrati in Figura 14. Poiché la perdita di commutazione dell'interruttore di potenza è maggiore della perdita di conduzione in condizioni di carico leggero, l'efficienza dei transistor al nitruro di gallio è significativamente superiore a quella dei transistor al carburo di silicio. Quando il carico aumenta gradualmente, la perdita di conduzione rappresenta una proporzione maggiore della perdita totale rispetto alla perdita di commutazione. Allo stesso tempo, con l'aumento del carico, aumenta anche l'aumento di temperatura dell'interruttore di potenza. In base al tasso di variazione della resistenza di conduzione con la temperatura di giunzione in Figura 13, si può osservare che la resistenza di conduzione del transistor al carburo di silicio aumenta meno con la temperatura. Pertanto, la differenza di efficienza tra i due interruttori di potenza ad alte temperature è molto piccola, sebbene la resistenza di conduzione del transistor al carburo di silicio a 25 °C sia superiore a quella del transistor al nitruro di gallio.      
      Figura 14: MOSFET al carburo di silicio, curva di efficienza del transistor al nitruro di gallio al livello PFC
Successivamente, confrontiamo le efficienze calcolate dei transistor al nitruro di gallio e dei MOSFET al carburo di silicio a diverse frequenze operative in una topologia di circuito a semiponte parallelo interleaved bifase LLC per una potenza di uscita di 3 kW. Il calcolo ignora l'impatto delle maggiori perdite nei componenti magnetici (inclusi gli induttori risonanti e gli induttori di potenza principali) causate dall'aumento della frequenza. La topologia del circuito è mostrata in Figura 15. Il modello di transistor al nitruro di gallio selezionato è IGOT60R070D1 (la RDS(on) massima a 25 °C è di 70 mohm), con un totale di 8 pezzi. Il modello di MOSFET al carburo di silicio selezionato è IMZA65R048M1H (la RDS(on) massima a 25 °C è di 64 mohm), con un totale di 8 pezzi.      
      Figura 15: Schema elettrico di un circuito LLC parallelo sfalsato bifase.
Con un carico del 50% (1500 W) e in condizioni di temperatura ambiente normali, il confronto dell'efficienza a diverse frequenze operative è mostrato in Figura 16. Quando la frequenza operativa è bassa (<100 kHz), l'efficienza dei transistor al nitruro di gallio e dei MOSFET al carburo di silicio con resistenza di conduzione simile è simile, ed entrambi possono raggiungere un'efficienza molto elevata (>99.2%). Quando la frequenza operativa aumenta a 300 kHz, grazie ai suoi parametri parassiti molto piccoli, il nitruro di gallio presenta una bassa percentuale di perdite di commutazione rispetto alle perdite totali, quindi la sua efficienza diminuisce molto poco (0.08%), mentre l'efficienza dei MOSFET al carburo di silicio diminuirà dello 0.58% (99.28%-98.7%). Quando la frequenza operativa sale a 500 kHz, il divario di efficienza tra i due diventa molto ampio (1%). Naturalmente, se per un circuito reale, considerando che l'aumento della frequenza causerà un forte aumento delle perdite dei componenti magnetici, la differenza di efficienza tra i due non sarà così grande, ma l'andamento della variazione di efficienza è lo stesso.      
      Figura 16: Confronto dell'efficienza di due dispositivi di potenza a diverse frequenze operative
             Raccomandazioni per l'applicazione di MOSFET al nitruro di gallio e al carburo di silicio          

Secondo quanto discusso nei capitoli 3 e 4, basandosi sui transistor al nitruro di gallio e sui MOSFET al carburo di silicio di Infineon Technologies Co., Ltd., le raccomandazioni applicative per questi due semiconduttori di potenza a banda proibita ampia sono le seguenti:
(1) Per qualche motivo, il sistema applicato deve funzionare a una frequenza superiore a 200 kHz. I transistor al nitruro di gallio sono la prima scelta, seguiti dai MOSFET al carburo di silicio. Se la frequenza operativa è inferiore a 200 kHz, entrambi possono essere utilizzati;
(2) Il sistema applicato richiede un'efficienza estremamente elevata da carico leggero a mezzo carico. I transistor al nitruro di gallio sono la prima scelta, seguiti dai MOSFET al carburo di silicio;
(3) Se il sistema applicato ha un'elevata temperatura massima di esercizio, difficoltà nella dissipazione del calore o richiede un'efficienza estremamente elevata a pieno carico, i MOSFET al carburo di silicio sono la prima scelta, seguiti dai transistor al nitruro di gallio;
(4) Il sistema applicato presenta un'elevata interferenza di rumore, in particolare l'interferenza di pilotaggio del gate. Il MOSFET al carburo di silicio è la prima scelta, mentre il transistor al nitruro di gallio è la seconda scelta;
(5) Se il sistema applicato richiede un interruttore di potenza con un'elevata capacità di cortocircuito, il MOSFET al carburo di silicio è la prima scelta;
(6) Per altri sistemi applicativi senza requisiti speciali, la scelta del prodotto dipende da fattori quali il metodo di dissipazione del calore, la densità di potenza e la familiarità del progettista con entrambi.      
             Riassumere          

Questo articolo fornisce un'introduzione dettagliata alla struttura, alle caratteristiche, alle differenze prestazionali e ai suggerimenti applicativi dei semiconduttori di potenza a banda proibita ampia emersi negli ultimi anni, ovvero i transistor al nitruro di gallio e i MOSFET al carburo di silicio. Poiché i semiconduttori di potenza a banda proibita ampia presentano numerosi vantaggi prestazionali che i semiconduttori al silicio non sono in grado di eguagliare, il loro utilizzo è in costante aumento nell'industria.      
     

Man mano che il settore acquisirà maggiore familiarità con i semiconduttori di potenza a banda proibita ampia e accumulerà esperienza applicativa, l'utilizzo di entrambi aumenterà notevolmente, il che a sua volta farà diminuire i prezzi di entrambi. Questo, a sua volta, promuoverà l'utilizzo su larga scala dei semiconduttori di potenza a banda proibita ampia, creando un circolo virtuoso. Pertanto, è molto importante che gli ingegneri elettronici padroneggino e utilizzino i semiconduttori di potenza a banda proibita ampia il prima possibile per migliorare la competitività dei loro prodotti, aumentarne la visibilità e accrescere le proprie competenze. Credo che questo articolo sia di grande utilità e di riferimento per gli ingegneri elettronici che desiderano familiarizzare con i semiconduttori di potenza a banda proibita ampia e utilizzarli.

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