Semiconduttori a banda larga

Cosa sono i semiconduttori a banda larga?

Senza entrare nel dettaglio delle strutture del reticolo cristallino e dei livelli energetici di un semiconduttore, si può dire che il modello a banda larga è il modo in cui gli elettroni (corrente) fluiscono in un semiconduttore di un particolare materiale.

È l’energia necessaria per rilasciare un elettrone dal guscio atomico esterno, in modo che si muova liberamente nel solido (es. metallo).

In altre parole, è la differenza di energia tra la banda di valenza superiore e l’estremità inferiore della banda di conduzione in un semiconduttore cristallino. La Tabella 1 mostra l’energia della banda proibita di vari materiali semiconduttori.

Immagine 1. La banda proibita si riferisce alla quantità di energia necessaria per rilasciare un elettrone dal guscio esterno, in modo che possa muoversi liberamente nel solido

Nei semiconduttori a banda larga come SiC e GaN, la banda proibita, ovvero la differenza di energia tra lo stato isolante e quello conduttivo (banda di valenza e banda conduttiva), è significativamente maggiore rispetto al silicio. La conseguenza pratica di questo divario più ampio è il minor consumo energetico. Il dispositivo può funzionare ad alta tensione, alta temperatura e alte frequenze di commutazione.

Le applicazioni con semiconduttori SiC e GaN presentano quindi un’elevata densità di potenza, dimensioni più ridotte, un’elevata tensione inversa, basse perdite di potenza, maggiore compatibilità EMC e migliori prestazioni in riferimento a guasti e temperatura rispetto alle applicazioni a base di silicio.

Confronto della banda proibita dei semiconduttori

Tabella 1. Panoramica dell’energia di banda proibita di vari materiali semiconduttori.

SiC o GaN?

Il GaN è arrivato dopo il SiC ed è decollato lentamente per problemi di costi, entrate e affidabilità. Sebbene, in teoria, questo materiale possa raggiungere una velocità di commutazione più elevata rispetto al SiC o Si grazie alla mobilità degli elettroni molto maggiore, il suo potenziale elettrico è limitato e la conduttività termica è tre volte inferiore al SiC.

Attualmente, sono comuni dispositivi SiC con una potenza nominale da circa 650 V a 1,2 kV e superiori, mentre il GaN è limitato a circa 650 V. A pari tensione, il GaN fatica a competere con il SiC, che vanta una comprovata robustezza, un costo inferiore e caratteristiche più sofisticate.

La Fig. 2 mostra gli ambiti di applicazione delle diverse tecnologie in termini di potenza e frequenze di commutazione.

Le aree visualizzate mostrano l’ambito di applicazione “approssimativo”, che potrà variare a seconda degli sviluppi tecnologici. È possibile notare significative sovrapposizioni tra soluzioni concorrenti e va tenuto conto del fatto che non viene considerato il rapporto prezzo/prestazioni per i diversi ambiti di applicazione.

I fornitori di GaN sperano di conquistare il mercato dell’elettricità/bassa tensione, compresi i centri dati, gli EV/ HEV e il fotovoltaico, quando si concretizzeranno i risparmi promessi.

Tuttavia, anche i cascode SiC (connessione in serie di un MOSFET al silicio autobloccante e un JFET SiC autoconduttore) si rivolgono a queste aree di mercato, in particolare nelle applicazioni per convertitori CC/CC bidirezionali e PFC totem pole.

Il SiC si è ormai affermato bene nella filiera e i componenti sono presenti nei cataloghi dei distributori di alta gamma.

Immagine 2. Ambiti di applicazione delle diverse tecnologie in termini di potenza e frequenze di commutazione

Chi fornisce cosa?

Il mercato dei componenti a banda larga si riflette notevolmente nel segmento SiC. Secondo il ricercatore di mercato Trendforce, nel 2021 le vendite di semiconduttori di potenza SiC dovrebbero ammontare a 660 milioni di dollari. Le previsioni di Yole Développement sono le seguenti: 973,4 milioni di dollari nel 2022 e 2,5 miliardi nel 2025 (Fig. 3).

Di conseguenza, la catena di approvvigionamento del settore dei wafer SiC è a tratti problematica: la prevista acquisizione da parte di Infineon dell’unità aziendale dedita alla produzione di wafer Wolfspeed di Cree è stata vietata dall’allora amministrazione statunitense.

Cree è stata costretta a chiudere la divisione LED e, come Wolfspeed, si sta ora concentrando sulla produzione di wafer e semiconduttori di potenza.

La STMicroelectronics ha acquisito Norstel, uno dei suoi fornitori preferiti per i wafer, e la coreana SK Siltron ha acquisito l’attività di DuPont sui wafer SiC per 450 milioni di dollari.

Con l’acquisizione di Siltectra, del valore di 124 milioni di euro, Infineon ha acquisito una tecnologia che può essere utilizzata per trasformare un wafer di SiC spesso in due sottili. Nel settore dei wafer si posiziona al primo posto Wolfspeed, con il 40% delle quote di mercato, seguita da II-VI con il 35%. Il terzo posto va a SK Siltron.

Immagine 3. Il mercato dei semiconduttori di potenza: previsioni fino al 2026. (Immagine: Yole)

L’Unione Europea ha stanziato quasi 90 milioni di euro per la creazione di una catena di approvvigionamento europea per la tecnologia dei semiconduttori al carburo di silicio.

Guidato da Bosch, il progetto “Transform” riunisce 34 protagonisti da sette paesi che fanno parte della catena del valore del carburo di silicio in Europa.

Nell’ambito di questo progetto finanziato dall’UE, verranno sviluppate nuove tecnologie SiC e processi e procedure per la loro produzione. Inoltre, il progetto garantirà la disponibilità di macchine e sistemi per produrre elementi come substrati e wafer per l’elettronica di potenza dei fornitori europei.

FET di diamante

Come materiale semiconduttore, il diamante ha una banda proibita più ampia (Tabella 1) di SiC e GaN. La sua conduttività termica è anche molto superiore a quella dei materiali attualmente utilizzati nell’elettronica: conduce il calore 22 volte meglio del silicio e cinque volte meglio del rame. Il diamante può isolare sollecitazioni elevate con una frazione dello spessore del materiale che sarebbe richiesto nelle tecniche odierne (Fig. 4). Ad esempio, per isolare 10 kV è necessaria una quantità di diamante 50 volte inferiore rispetto al silicio.

Immagine 4. Il diamante può isolare sollecitazioni elevate con uno spessore pari a una frazione di quello di altri materiali

Da ciò si può dedurre che i chip semiconduttori più sottili e che richiedono meno energia possono funzionare a temperature ancora più elevate rispetto ai semiconduttori a banda larga precedentemente disponibili.

Akhan Semiconductor lavora ai semiconduttori diamantati e si sta dedicando alla piattaforma Miraj Diamond. Tuttavia, i prodotti a semiconduttore non sono ancora presenti sul sito web dell’azienda, dove è invece presente un vetro “Gorilla” particolarmente resistente per smartphone.

Evince dal Regno Unito è un’altra startup impegnata nello sviluppo di tecnologie che impiegano i diamanti: “Abbiamo esplorato un fenomeno reso possibile solo dai diamanti: il tunneling quantistico rinforzato sul campo, che ci consentirà di sviluppare il primo concetto di elettronica completamente nuovo dagli anni ‘60.

Il nostro approccio unico combina strutture di emissione di campo integrate con una tecnologia di superficie avanzata per iniettare elettroni direttamente nel diamante con un’efficienza elevata. Questi “elettroni liberi” possono quindi essere manipolati all’interno del substrato o estratti per altri scopi”.

Anche in questo caso, sul sito web dell’azienda non compare alcun componente.

I chip diamantati non sembrano essere ancora abbastanza sofisticati e per questo motivo le tecnologie SiC e GaN stanno prosperando nel vasto settore della banda proibita.