Introduzione ai semiconduttori ad ampio bandgap
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I semiconduttori con un gap energetico (Eg) maggiore rispetto ai semiconduttori convenzionali, tipicamente nell’intervallo superiore a 2 eV, sono noti come semiconduttori a banda larga (WbG).
In confronto, i semiconduttori comunemente utilizzati Si e GaAs hanno un andgap rispettivamente di 1,1 eV e 1,43 eV. Sono stati sviluppati perché la tecnologia dei semiconduttori doveva essere estesa alla manipolazione ottica e ai dispositivi ad alta potenza e ad alta frequenza.
La maggior parte dei WBGS sono noti essenzialmente per la loro struttura e le loro proprietà uniche. Sono state sviluppate diverse tecniche di crescita per sintetizzare materiali con proprietà eccellenti, bassa concentrazione di difetti e un buon controllo della loro stechiometria.
Le WBGS hanno proprietà elettroniche che si collocano tra quelle dei semiconduttori e degli isolanti convenzionali, consentendo loro di operare a tensioni, frequenze e temperature molto più elevate rispetto ai materiali semiconduttori convenzionali come il silicio e l’arseniuro di gallio.
I WBGS sono utilizzati in diverse applicazioni, tra cui LED o laser a onde corte (da verde a UV), radar militari e alcune applicazioni a radiofrequenza.
La loro elevata tolleranza alla temperatura li rende molto interessanti per le applicazioni militari e vengono utilizzati anche nelle applicazioni di conversione di potenza, dove possono erogare una potenza maggiore in condizioni operative normali.
Inoltre, i WBGS possono essere utilizzati nell’illuminazione a stato solido, dove hanno il potenziale di ridurre la quantità di energia necessaria per l’illuminazione con un’efficacia luminosa inferiore a 20 lumen per watt.
L’efficacia luminosa dei LED con WBGS è dell’ordine di 160 lumen per watt.
Il gap energetico dei WBGS può essere personalizzato con atomi del gruppo III (Al, Ga, In) e V (N, P, As, Sb) con un elevato band gap. Formazione di leghe ternarie e quaternarie III-V e di semiconduttori composti II-VI.
Il band gap più ampio e quindi la minore generazione termica di portatori di carica consente il funzionamento dei WBGS a temperature molto più elevate, ad esempio fino a 300 °C o addirittura 900 °C.
L’elevata tensione di rottura e l’alta velocità di deriva consentono il funzionamento ad alte frequenze di commutazione (>20 kHz) e a tensioni e correnti più elevate rispetto ai semiconduttori convenzionali.
I materiali WBG più comuni includono il diamante e il carburo di silicio (SiC) e sono la prima scelta per i dispositivi ad alte prestazioni.
Questi materiali sono utilizzati in una varietà di applicazioni, tra cui le applicazioni di commutazione di potenza ad alta temperatura, l’illuminazione a stato solido e l’elaborazione di segnali a radiofrequenza (RF).
Le WBGS hanno anche un’elevata velocità di elettroni liberi, che consente loro di operare a velocità di commutazione più elevate, rendendole preziose per le applicazioni radio.
Un singolo modulo WBG può essere utilizzato per un sistema wireless completo, eliminando la necessità di componenti di segnalazione e radiofrequenza separati e operando a frequenze e livelli di potenza più elevati.
I WBG sono utilizzati in numerose applicazioni elettroniche e optoelettroniche (Fig. 2).
Applicazioni dei semiconduttori ad ampio bandgap
Applicazioni elettroniche dei semiconduttori ad ampio bandgap
- Elettronica di potenza:
- I componenti wide-bandgap consentono di ottenere una maggiore efficienza energetica, densità di potenza e temperature di esercizio più elevate nei convertitori, negli inverter e negli azionamenti dei motori.
- Informatica:
- Le funzioni di commutazione ad alta velocità dei transistor a banda larga migliorano le prestazioni di calcolo.
- Circuiti radio:
- Il funzionamento ad alta frequenza e il consumo energetico efficiente sono essenziali per i sistemi di comunicazione wireless.
- Circuiti per convertitori di dati:
- Miglioramento della velocità e della precisione dei convertitori analogico-digitali e digitale-analogici.
- Memoria flash:
- I chip di memoria a banda larga sono caratterizzati da una maggiore velocità di lettura e scrittura, da una maggiore durata e da un minore consumo energetico.
- Interfacce per sensori:
- I componenti ad ampio bandgap migliorano la sensibilità del sensore e le funzioni di interfaccia.
Applicazioni optoelettroniche dei semiconduttori a banda larga
- Imaging:
- I dispositivi wide-bandgap consentono di realizzare sistemi di imaging ad alta risoluzione e ad alta sensibilità per applicazioni scientifiche, mediche e industriali.
- Comunicazione ottica:
- I dispositivi ottici veloci ed efficienti sono essenziali per la trasmissione dei dati nelle moderne reti di comunicazione.
- Tecnologia dei sensori ottici:
- I fotorivelatori ad ampio bandgap forniscono soluzioni di sensori accurate e affidabili per il monitoraggio ambientale e industriale.
- Circuiti per convertitori di dati:
- Miglioramento della velocità e della precisione dei convertitori analogico-digitali e digitale-analogici.
- Imaging biomedico:
- I dispositivi di imaging di alta qualità contribuiscono ai progressi della diagnostica medica e della ricerca.
- Circuiti integrati fotonici:
- I materiali con un ampio band gap consentono di realizzare circuiti fotonici compatti ed efficienti per l’elaborazione dei dati e la comunicazione.
- Tecnologia di visualizzazione:
- I display ad alta efficienza energetica, con una migliore accuratezza dei colori e una migliore risoluzione, sono ottenuti grazie all’uso di componenti ad ampio bandgap.
Regolazione del gap energetico e selezione del materiale
Esistono più implementazioni di WBG basate sui materiali rispetto alle tradizionali controparti basate sul silicio.
Alcune delle applicazioni, oltre a quelle illustrate nella figura precedente, sono: Soluzioni per l’energia solare, inverter di stringa monofase, inverter di stringa trifase, utilizzo dell’energia eolica, energia ausiliaria, energia nucleare, hot-swap, alimentazione dei rack dei server.
Altre applicazioni sono le soluzioni per l’elettrificazione dei trasporti, come l’alimentazione ausiliaria per i veicoli elettrici (EV), gli inverter di trazione, i caricabatterie per EV, i generatori di avviamento e i caricabatterie di bordo.
Tecniche e strumenti di analisi termica
Le tecniche di analisi termica sono fondamentali per comprendere il comportamento termico dei materiali WBG e garantirne le prestazioni ottimali nei dispositivi elettronici.
Consentono a ricercatori e ingegneri di sviluppare e ottimizzare i dispositivi WBG per diverse applicazioni, ad esempio nell’elettronica di potenza, nei dispositivi RF e di potenza e nelle batterie.
Le tecniche di analisi termica utilizzate per l’analisi del WBGS includono
- Misurazione della resistenza termica
- Misura della conducibilità termica
- Misurazione della resistenza dello strato limite termico
- Gestione termica e imballaggio
Linseis Thermal Analysis offre una gamma di strumenti per l’analisi WBGS della conducibilità/resistenza termica e per l’analisi dei materiali termoelettrici.
Questi strumenti sono progettati per l’analisi dei materiali nella ricerca e nel controllo qualità e sono utilizzati in diversi settori industriali come quello chimico, automobilistico, dei polimeri e dell’elettronica.
- Misuratori di conducibilità termica:
- Questi dispositivi misurano le proprietà di trasferimento del calore come la conducibilità termica, la diffusività termica o la capacità termica specifica e forniscono informazioni sulla capacità di un WBGS di immagazzinare e trasferire calore o temperatura. Linseis dispone di un’ampia gamma di dispositivi di misurazione della conduttività termica per l’analisi dei WBGS, come ad esempio
- Analizzatore laser flash (LFA) e il Ponte Caldo Transitorio (THB) che consente di determinare la diffusività termica, la conducibilità termica e la capacità termica specifica. determinazione della capacità termica specifica con un’elevata precisione.
- L’analizzatore di frequenza laser a film sottile (TF-LFA) e l’analizzatore di film sottile (TFA ). Analizzatore per film sottili (TFA) sono stati progettati per misurare la diffusività termica e la conducibilità termica di film sottili di dimensioni comprese tra i µm e i nm, spesso utilizzati, ad esempio, nell’industria informatica.
- Questi dispositivi misurano le proprietà di trasferimento del calore come la conducibilità termica, la diffusività termica o la capacità termica specifica e forniscono informazioni sulla capacità di un WBGS di immagazzinare e trasferire calore o temperatura. Linseis dispone di un’ampia gamma di dispositivi di misurazione della conduttività termica per l’analisi dei WBGS, come ad esempio
- Analizzatori termoelettrici:
- Questi dispositivi misurano la resistenza elettrica, il coefficiente di Seebeck , il valore ZT e il coefficiente di Hall e quindi forniscono informazioni sulla conducibilità elettrica la concentrazione dei portatori di carica e la mobilità. Questi dispositivi di prova includono i Linseis LSR-1, LSR-3 (dispositivi di misurazione della resistenza e di Seebeck di Linseis) e la serie HCS. Serie HCS (Sistema di caratterizzazione Hall).
Riassunto
In sintesi, i WBGS presentano spesso elevate velocità degli elettroni liberi che possono influire in modo significativo sulle prestazioni dei dispositivi elettronici. Il bandgap più ampio consente loro di operare a tensioni, frequenze e temperature più elevate e di gestire livelli di potenza più elevati in condizioni operative normali.
Sono estremamente utili in una serie di applicazioni, tra cui quelle militari, wireless, di conversione di potenza e di illuminazione a stato solido.
Fonti:
- Josh Perry, Cooling Wide-Bandgap Materials in Power Electronics 15 giugno 2018.
- Saravanan Yuvaraja, Vishal Khandelwal, Xiao Tang & Xiaohang Li, Circuiti integrati
basati su semiconduttori a banda larga. Chip 2, 100072 (2023). - Maria Katsikini, Wide Band Gap Materials, X-Ray Absorption Spectroscopy of Semiconductors, 2015, Volume 190. ISBN: 978-3-662-44361-3.
- Yuan Qin, etal. Gestione termica e imballaggio dei dispositivi di potenza a bandgap largo e ultra largo: una revisione e una prospettiva J. Phys. D: Appl. Phys. 56 (2023) 093001 (23pp).
- Anushree Ramanath- un articolo tecnico su Applicazioni dei dispositivi ad ampio bandgap 30 dicembre 2021.
