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Circuitos integrados

Los materiales semiconductores de banda prohibida ancha llevan la potencia a un nuevo nivel

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El sector electrónico necesitó solo una década para establecer el silicio como sustrato principal tras el desarrollo inicial del transistor, allanando así el camino para el desarrollo del circuito integrado. Si bien sus propiedades no son ideales para todas las aplicaciones, su disponibilidad, facilidad de procesamiento y rendimiento bastaban para convertir el silicio (como material) en la base de un sector cuyas ventas anuales se acercan a medio billón de dólares.

Con el paso del tiempo, el sector ha aprendido mucho acerca de las propiedades de los cristales de silicio que se han utilizado para el cumplimiento de la ley de Moore. Por ejemplo, hace cerca de 20 años la ingeniería de deformación cobró una gran importancia en el desarrollo de los transistores. Esta tecnología usa capas de materiales para distorsionar localmente las mallas de los cristales de silicio con el objetivo de mejorar la movilidad de los portadores eléctricos que atraviesan esos canales. Este tipo de ingeniería de cristales ha ayudado a reintroducir en el sector los semiconductores compuestos y que no son de silicio, que se consideraban demasiado difíciles de usar, costosos o frágiles, pese a sus mejores propiedades eléctricas.

Los procesos y materiales de fabricación son fundamentales para avanzar

El nitruro de galio (GaN), por ejemplo, se investigó como un material para los semiconductores hace medio siglo, pero los dispositivos que se hacían con este material exigían el uso de sustratos de zafiro costosos y frágiles. Hoy las películas de GaN se pueden desarrollar de forma fiable y sin defectos en la superficie de una oblea de silicio. Esto ha abierto el camino a una creciente oferta de dispositivos de alto rendimiento. Asimismo, las mejoras en los procesos de fabricación han dado lugar a los compuestos de silicio como el carburo de silicio (SiC), que es casi tan duro como un diamante y práctico para la fabricación en volumen.

Los semiconductores de GaN y SiC se caracterizan por unas bandas prohibidas entre la valencia y las bandas de conducción tres veces más anchas que en los dispositivos de silicio convencionales. Esto, junto con otras propiedades de estos semiconductores, hace que sean óptimos para los circuitos de alta potencia. Los materiales presentan unos valores críticos en campo diez veces mayores que en los dispositivos de silicio típicos. El resultado es una mayor tensión de ruptura que se puede usar para reducir el tamaño y el coste de los transistores empleados en las fuentes de alimentación y en otros circuitos que necesitan la capacidad de controlar altos niveles de tensión y corriente.

Debido a los elevadores valores críticos en campo y a la tensión de ruptura, la zona de deriva de un transistor o diodo vertical puede ser mucho más fina si se utiliza SiC que con un dispositivo de silicio. Esto no solo conlleva una reducción de la resistencia en conducción que genera unas pérdidas de potencia significativamente menores cuando circula corriente por el dispositivo, sino además unos tiempos de recuperación más cortos ya que hay menos portadores minoritarios a despejar, por ejemplo, en un diodo de polarización inversa. Un dispositivo como el WNSC021200 de WeEn Semiconductors tiene una carga de recuperación de tan solo 10 nC, mucho menor que en los diodos PiN de silicio.

El tamaño y la movilidad como catalizadores de las aplicaciones futuras

A su vez, el tamaño más pequeño del transistor permite reducir elementos parásitos como la capacidad de puerta y salida. La suma de los efectos se traduce en frecuencias mayores en fuentes de alimentación conmutadas y circuitos similares. Los dispositivos de GaN, por ejemplo, pueden admitir frecuencias de conmutación muy superiores a 1 MHz. A esas frecuencias también es posible usar componentes pasivos más pequeños que se suelen utilizar para suavizar los transitorios de conmutación. El resultado es una fuente de alimentación más pequeña y eficiente.

Algunos fabricantes, como Power Integrations, han aprovechado las características del GaN para crear circuitos integrados interruptores de fuentes de alimentación. Un ejemplo es el INN3276C-H204, un circuito integrado conmutador flyback offline con interruptor del lado primario integrado que resulta óptimo para aplicaciones de carga de baterías de potencia constante. El dispositivo admite una potencia de salida de hasta 35 W; otros productos de la familia PowiGaN de esta empresa pueden admitir potencia de salida de hasta 100 W sin necesidad de un disipador de calor.

Otro atributo del GaN es su movilidad de portadores intrínsecamente superior: casi un 40 % mayor que la del silicio. Esta alta movilidad es el resultado de la manera en que se forma un gas de electrón bidimensional en las interfaces entre los materiales del componente, una característica intrínseca de los transistores HEMT (high electron mobility transistors) y que se encuentra en otros materiales, como el arseniuro de galio (GaAs). Esta característica de alta movilidad ha llevado el uso del GaN a aplicaciones como las estaciones base y la instrumentación científica. Los dispositivos de Nexperia están especialmente diseñados para este sector del mercado.

Más allá de las aplicaciones de RF en las comunicaciones celulares, existe una interrelación cada vez mayor entre el diseño de RF y la alimentación en el área de rápido crecimiento de la carga inalámbrica. La norma AirFuel, por ejemplo, requiere una frecuencia de transmisión de 6,78 MHz. Dispositivos como los transistores de potencia CoolGaN de Infineon Technologies son óptimos para las topologías de amplificadores clase D y clase E que se están utilizando en estas aplicaciones.

La capacidad del SiC para admitir frecuencias de conmutación más altas que el silicio ha llevado a su uso en equipos médicos de alta tensión como las máquinas de rayos X entre otras aplicaciones de manejo de potencia. La conmutación casi que instantánea que admiten los MOSFET de SiC, como la gama SCT3 de ROHM, se complementa en la serie xR con la configuración de cuatro patillas de su encapsulado TO-247 modificado. Este diseño se usa en componentes como el SCT3060ARC14, un MOSFET de 39 A y 650 V, para reducir las pérdidas de conmutación hasta un 35% respecto a las configuraciones convencionales de los encapsulados de tres patillas. Una conexión entre la fuente y el drenador separada del controlador de puerta ayuda a minimizar la inductancia parásita y ello se puede aprovechar para aumentar la velocidad de conmutación del circuito.

Otra ventaja clave de estos semiconductores de banda prohibida ancha reside en su capacidad para funcionar a alta temperatura, lo que conlleva mayores ventajas de tamaño y coste. Por ejemplo, los transistores no necesitan disipadores de calor de gran tamaño para disipar el calor, algo que exigen los MOSFET de silicio para evitar sufrir pérdidas debido a las mayores resistencias en conducción y temperaturas elevadas. El SiC va más allá del GaN al ofrecer la capacidad de funcionar bajo unas condiciones que quedan fuera del alcance de los dispositivos de silicio. Esto ha hecho que el SiC sea una opción cada vez más popular para los circuitos de aplicaciones de automoción, militares y de perforación, ya que se puede montar cerca de la cámara del motor, junto a los frenos o a los cabezales de perforación y conserva su funcionalidad cuando las temperaturas alcanzan los 200 °C. Con el fin de responder a esas temperaturas más elevadas, esos dispositivos se suministran con frecuencia en chip expuesto para la integración con encapsulados especializados de alta temperatura. Sin embargo, muchos de aquellos en los encapsulados de uso generalizado, como DPAK o TO-247, creados por Genesic Semiconductor, Littelfuse y OnSemi, entre otros, funcionan con temperaturas de unión de hasta 175 °C.

Control inteligente y cómo implementar mejor GaN, SiC y las tecnologías relacionadas

Las altas frecuencias de conmutación que los materiales semiconductores de banda prohibida ancha permiten que los diseñadores aprovechen técnicas de control novedosas como la conversión de matriz, que usa cálculos de modulación espacio-vector para el control de motores de CA de alto rendimiento en una arquitectura que se puede implementar en una mayor variedad de sistemas de fuentes de alimentación como alternativa a la mayor velocidad de conmutación de las topologías convencionales. El rendimiento de los controladores de puerta es igual de importante en todas estas arquitecturas de circuitos de conmutación rápida. Además de crear la gama CoolGaN de dispositivos de potencia y los transistores y diodos CoolSiC, Infineon ha invertido en tecnologías como EiceDriver. EiceDriver es un diseño de controlador de puerta que emplea altos niveles de rechazo en modo común para permitir el uso de topologías no aisladas en una mayor variedad de aplicaciones, disminuyendo así los costes de la lista de materiales.

La necesidad del control inteligente está impulsando el desarrollo de dispositivos de potencia altamente integrados que combinan microcontroladores y transistores de potencia, aprovechando los avances en la fabricación de los sistemas en encapsulados o SiP. STMicroelectronics ha anunciado recientemente la iniciativa STi2GaN, que une en un solo SiP las etapas de potencia de GaN y la lógica de control usando BCD junto con controladores y circuitos de aislamiento. El estrecho acoplamiento de estos elementos de circuitos ayuda a impulsar los diseños de las fuentes de alimentación hasta el orden de megahercios y a reducir el espacio total ocupado en la placa, algo que está cobrando importancia en los diseños de los coches eléctricos en los que se deben ensamblar muchos elementos en paralelo, así como en los cargadores de baterías de consumo.

A medida que se entiendan mejor los materiales de banda prohibida ancha, la integración con los circuitos de silicio impulsará diversas aplicaciones. Es fácil ver por qué se están reemplazando muchos dispositivos de silicio convencionales en muchas áreas. Un distribuidor técnico experimentado como Farnell puede orientar a los ingenieros acerca de dónde se pueden usar GaN, SiC y las tecnologías relacionadas de la forma más ventajosa y cómo evolucionan los fabricantes de dispositivos para incorporarlos en las nuevas aplicaciones.

Por Cliff Ortmeyer, Global Head of Technical Marketing de Farnell

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