Introdução aos semicondutores de banda larga
Índice
Os semicondutores com um intervalo de energia (Eg) maior do que o dos semicondutores convencionais, tipicamente na gama acima de 2 eV, são conhecidos como semicondutores de intervalo de banda larga (WbGs).
Em comparação, os semicondutores de uso corrente Si e GaAs têm um andgap de 1,1 eV e 1,43 eV, respetivamente. Foram desenvolvidos porque a tecnologia dos semicondutores teve de ser alargada à manipulação ótica e aos dispositivos de alta potência e alta frequência.
A maioria dos WBGS são essencialmente conhecidos pela sua estrutura e propriedades únicas. Foram desenvolvidas várias técnicas de crescimento para sintetizar materiais com excelentes propriedades, baixa concentração de defeitos e bom controlo da sua estequiometria.
Os WBGS têm propriedades electrónicas que se situam entre os semicondutores convencionais e os isoladores, o que lhes permite funcionar a tensões, frequências e temperaturas muito mais elevadas do que os materiais semicondutores convencionais, como o silício e o arsenieto de gálio.
As WBGS são utilizadas numa variedade de aplicações, incluindo LEDs ou lasers de ondas curtas (verde a UV), radares militares e determinadas aplicações de radiofrequência.
A sua tolerância a temperaturas elevadas torna-os muito atractivos para aplicações militares e são também utilizados em aplicações de conversão de energia, onde podem fornecer maior potência em condições normais de funcionamento.
Além disso, as WBGS podem ser utilizadas na iluminação de estado sólido, onde têm o potencial de reduzir a quantidade de energia necessária para a iluminação com uma eficácia luminosa inferior a 20 lúmenes por watt.
A eficácia luminosa dos LEDs com WBGS é da ordem dos 160 lúmenes por watt.
O intervalo de energia do WBGS pode ser personalizado com átomos do grupo III (Al, Ga, In) e V (N, P, As, Sb) com um intervalo de banda elevado. Formação de ligas ternárias e quaternárias III-V e de semicondutores compostos II-VI.
O maior intervalo de banda e, por conseguinte, a menor geração térmica de portadores de carga permite o funcionamento do WBGS a temperaturas muito mais elevadas, por exemplo, até 300 °C ou mesmo 900 °C.
A elevada tensão de rutura e a elevada velocidade de deriva permitem o funcionamento a frequências de comutação elevadas (>20 kHz) e tensões e correntes mais elevadas em comparação com os semicondutores convencionais.
Os materiais WBG mais comuns incluem o diamante e o carboneto de silício (SiC) e são a primeira escolha para dispositivos de elevado desempenho.
Estes materiais são utilizados numa variedade de aplicações, incluindo aplicações de alta temperatura e de comutação de potência, iluminação de estado sólido e processamento de sinais de radiofrequência (RF).
Os WBGS também têm uma elevada velocidade de electrões livres, o que lhes permite funcionar a velocidades de comutação mais elevadas, tornando-os valiosos para aplicações de rádio.
Um único módulo WBG pode ser utilizado para um sistema de rádio completo, eliminando a necessidade de componentes de sinalização e de radiofrequência separados e funcionando a frequências e níveis de potência mais elevados.
Os WBGs são utilizados em numerosas aplicações electrónicas e optoelectrónicas (Fig. 2).
Aplicações dos semicondutores de banda larga
Aplicações electrónicas dos semicondutores de banda larga
- Eletrónica de potência:
- Os componentes de banda larga permitem uma maior eficiência energética, densidade de potência e temperaturas de funcionamento mais elevadas em conversores, inversores e accionamentos de motores.
- Computação:
- As funções de comutação de alta velocidade dos transístores de banda larga melhoram o desempenho da computação.
- Circuitos de rádio:
- O funcionamento a alta frequência e o consumo eficiente de energia são essenciais para os sistemas de comunicação sem fios.
- Circuitos conversores de dados:
- Melhoria da velocidade e da precisão dos conversores analógico-digital e digital-analógico.
- Memória flash:
- Os chips de memória de banda larga caracterizam-se por velocidades de leitura e escrita mais elevadas, uma vida útil mais longa e um menor consumo de energia.
- Interfaces de sensores:
- Os componentes de grande intervalo de banda melhoram a sensibilidade do sensor e as funções de interface.
Aplicações optoelectrónicas de semicondutores de banda larga
- Imagina:
- Os dispositivos de grande abertura de banda permitem sistemas de imagem de alta resolução e alta sensibilidade para aplicações científicas, médicas e industriais.
- Comunicação ótica:
- Os dispositivos ópticos rápidos e eficientes são essenciais para a transmissão de dados nas redes de comunicação modernas.
- Tecnologia de sensores ópticos:
- Os fotodetectores de banda larga fornecem soluções de sensores precisas e fiáveis para a monitorização ambiental e industrial.
- Circuitos conversores de dados:
- Melhoria da velocidade e da precisão dos conversores analógico-digital e digital-analógico.
- Imagem biomédica:
- Os dispositivos de imagiologia de alta qualidade contribuem para os avanços no diagnóstico e na investigação médica.
- Circuitos integrados fotónicos:
- Os materiais com um grande intervalo de banda permitem circuitos fotónicos compactos e eficientes para processamento e comunicação de dados.
- Tecnologia de visualização:
- Os ecrãs energeticamente eficientes, com melhor precisão de cor e resolução, são conseguidos através da utilização de componentes de grande intervalo de banda.
Ajuste do intervalo de energia e seleção de materiais
Existem mais implementações de WBG baseadas em materiais do que as tradicionais baseadas em silício.
Algumas das aplicações, para além das apresentadas na figura acima, são: Soluções de energia solar, inversores de string monofásicos, inversores de string trifásicos, utilização de energia eólica, energia auxiliar, energia nuclear, hot-swap, energia para racks de servidores.
Outras aplicações são soluções para a eletrificação dos transportes, tais como energia auxiliar para veículos eléctricos (VE), inversores de tração, carregadores de VE, geradores de arranque e carregadores de bordo.
Técnicas e instrumentos de análise térmica
As técnicas de análise térmica são cruciais para compreender o comportamento térmico dos materiais WBG e garantir o seu desempenho ótimo em dispositivos electrónicos.
Permitem aos investigadores e engenheiros desenvolver e otimizar dispositivos WBG para várias aplicações, por exemplo, em eletrónica de potência, RF e dispositivos de energia e baterias.
As técnicas de análise térmica utilizadas para a análise WBGS incluem
- Medição da resistência térmica
- Medição da condutividade térmica
- Medição da resistência da camada limite térmica
- Gestão térmica e embalagem
A Linseis Thermal Analysis oferece uma gama de instrumentos para a análise WBGS da condutividade/resistência térmica e para a análise de materiais termoeléctricos.
Estes instrumentos foram concebidos para a análise de materiais em investigação e controlo de qualidade e são utilizados em várias indústrias, tais como a indústria química, automóvel, de polímeros e eletrónica.
- Medidores de condutividade térmica:
- Estes dispositivos medem as propriedades de transferência de calor, tais como a condutividade térmica, a difusividade térmica ou a capacidade específica de calor e fornecem informações sobre a capacidade de um WBGS para armazenar e transferir calor ou temperatura. A Linseis tem uma vasta gama de dispositivos de medição da condutividade térmica para analisar WBGS, tais como
- Analisador de Flash Laser (LFA) e o Transient Hot Bridge (THB) que permite a determinação da difusividade térmica, condutividade térmica e determinação da capacidade térmica específica com elevada exatidão.
- O analisador de frequências laser de película fina (TF-LFA) e o Analisador de película fina (TFA) foram concebidos para medir a difusividade térmica e a condutividade térmica de películas finas na gama de µm a nm, que são frequentemente utilizadas na indústria assistida por computador, por exemplo.
- Estes dispositivos medem as propriedades de transferência de calor, tais como a condutividade térmica, a difusividade térmica ou a capacidade específica de calor e fornecem informações sobre a capacidade de um WBGS para armazenar e transferir calor ou temperatura. A Linseis tem uma vasta gama de dispositivos de medição da condutividade térmica para analisar WBGS, tais como
- Analisadores termoeléctricos:
- Estes dispositivos medem a resistência eléctrica, o coeficiente de Seebeck e o valor valor ZT e o coeficiente coeficiente Hall e, assim, fornece informações sobre a condutividade eléctrica a concentração de portadores de carga e a mobilidade. Estes dispositivos de teste incluem os Linseis LSR-1, LSR-3 (dispositivos de medição de resistência e Seebeck da Linseis) e série HCS (Sistema de Caracterização Hall).
Resumo
Em resumo, as WBGS têm frequentemente velocidades elevadas dos electrões livres que podem afetar significativamente o desempenho dos dispositivos electrónicos. O maior intervalo de banda permite-lhes funcionar a tensões, frequências e temperaturas mais elevadas, ao mesmo tempo que suportam níveis de potência mais elevados em condições normais de funcionamento.
São extremamente valiosos numa variedade de aplicações, incluindo militares, sem fios, conversão de energia e iluminação de estado sólido.
Fontes:
- Josh Perry, Cooling Wide-Bandgap Materials in Power Electronics 15 de junho de 2018.
- Saravanan Yuvaraja, Vishal Khandelwal, Xiao Tang & Xiaohang Li, Wide bandgap semiconductor based
integrated circuits. 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. Thermal management and packaging of wide and ultra-wide bandgap power devices: a review and perspective J. Phys. D: Appl. Phys. 56 (2023) 093001 (23pp).
- Anushree Ramanath- um artigo técnico sobre Applications of Wide Bandgap Devices 30 de dezembro de 2021.
