autor
Richardson RFPD
Almacenamiento de energía y conversión de potencia
Semiconductores WBG
Mientras que el silicio es una única sustancia química, el carburo de silicio es un compuesto de carbono con silicio. El nitruro de galio es un compuesto de galio con nitrógeno. Por esta razón, los semiconductores producidos utilizando estos componentes también se llaman "semiconductores compuestos."
El SiC y el GaN pertenecen a la categoría de semiconductores WBG y ofrecen varias ventajas sobre los semiconductores de silicio tradicionales.
Con los vehículos eléctricos, los sistemas de energías renovables y la electrónica de consumo de nueva generación superando los límites de lo posible, los materiales de banda prohibida ancha están a punto de convertirse en protagonistas.
Ventajas de los semiconductores WBG
El silicio ha sido dominante durante muchos años, pero está alcanzando sus límites de rendimiento en un número creciente de aplicaciones existentes y emergentes. El SiC y el GaN ofrecen importantes ventajas en términos de fiabilidad, eficiencia energética, densidad de potencia y reducción del tamaño y los costes del sistema. Gracias a estas ventajas, el SiC y el GaN pueden convertirse en dispositivos electrónicos y ópticos de vanguardia con un rendimiento muy superior al del silicio.
Dado que los semiconductores WBG pueden soportar campos eléctricos más elevados, pueden soportar tensiones más altas. También pueden funcionar a frecuencias de conmutación más altas, lo que proporciona un mejor rendimiento, minimiza los requisitos de filtrado y permite el uso de componentes inductores y condensadores asociados más pequeños.
En comparación con el silicio, estos factores aportan varias ventajas, como un funcionamiento más pequeño, más rápido, más eficiente y más fiable. Las capacidades de voltaje más altas abren oportunidades en diseños de mayor potencia con eficiencias drásticamente mejoradas, lo que permite el mismo rendimiento en factores de forma más pequeños, o un rendimiento mejorado en el mismo factor de forma. La eficiencia es inversamente proporcional al peso y, en última instancia, a las emisiones de carbono asociadas al funcionamiento de la aplicación de destino.
Muchos dispositivos basados en tecnologías WBG también ofrecen la ventaja de funcionar a temperaturas máximas más elevadas que sus homólogos de silicio heredados.
SiC frente a GaN: comparación
En comparación con el silicio, que tiene un bandgap de 1,12 eV (electrón-voltio), el GaN y el SiC tienen bandgaps unas tres veces superiores, de 3,4 eV y 3,2 eV, respectivamente. Esto significa que ambos pueden soportar tensiones más altas con una matriz más delgada, lo que contribuye a una mayor capacidad de frecuencia de conmutación. Además, hay varias diferencias en las propiedades de los materiales de ambas tecnologías que influyen en su funcionamiento y en el lugar donde se utilizan. Las principales diferencias pueden resumirse como sigue:
Movilidad de los electrones: La diferencia más importante entre el GaN y el SiC es la movilidad de los electrones. Esta es una medida de la rapidez con la que los electrones pueden moverse a través del material semiconductor. Mientras que el silicio tiene una movilidad de electrones de 1.500 cm2/Vs, el GaN tiene una movilidad de electrones de 2.000 cm2/Vs, lo que significa que los electrones pueden moverse más de un 30% más rápido que los del silicio. El SiC, sin embargo, tiene una movilidad de 700 cm2/Vs, lo que significa que los electrones del SiC se mueven más despacio que los del GaN y el silicio. Con una movilidad de electrones tan elevada, el GaN es casi tres veces más adecuado para aplicaciones de alta frecuencia.
Intensidad del campo de ruptura: El GaN y el SiC tienen intensidades de campo de ruptura similares: 3,3 MV/cm para el GaN y 3,5 MV/cm para el SiC. El silicio tiene una intensidad de campo de ruptura de 0,3 MV/cm, lo que significa que el GaN y el SiC son casi diez veces más capaces de mantener tensiones más altas por unidad de grosor de la matriz. También son capaces de soportar tensiones más bajas utilizando dispositivos mucho más pequeños y delgados.
Conductividad térmica: La conductividad térmica de un material es su capacidad para transferir calor. La conductividad térmica influye directamente en el aumento de temperatura del material durante su uso. En las aplicaciones de alta potencia, las ineficiencias de los materiales generan calor, lo que aumenta la temperatura del material y modifica sus características eléctricas. El GaN tiene una conductividad térmica de 1,3 W/cmK, que es peor que la del silicio, de 1,5 W/cmK.
El SiC tiene una conductividad térmica de 5 W/cmK, lo que lo hace más de tres veces mejor en la transferencia de cargas térmicas. Esto da al SiC una ventaja en aplicaciones de alta potencia y alta temperatura que no siempre requieren conmutación de alta frecuencia, pero sí un funcionamiento a mayor tensión y una mejor disipación del calor. Algunos ejemplos son los vehículos eléctricos, algunos diseños de energía solar, tracción ferroviaria, turbinas eólicas, distribución de red e imágenes industriales y médicas.
Las principales características del GaN y el SiC se resumen en la Tabla 1.
Parámetro | Símbolo | Unidad | Si | SiC | GaN | Bandgap | Ec | eV | 1.12 | 3.2 | 3.43 |
|---|---|---|---|---|---|
Constante dieléctrica relativa | εs | - | 11.9 | 10 | 9.5 |
Movilidad de los electrones | μn | cm2/(V.s) | 1500 | 700 | 2000 |
Velocidad máxima de los electrones | vpico | 107> - cm/s | 1 | 2 | 2.5 |
Campo eléctrico crítico | Ec | MV/cm | 0.3 | 3.0 | 3.3 |
Cuadro 1: Principales características de los semiconductores SiC y GaN
SiC y GaN: Ejemplos de aplicación
Los componentes WBG son ideales para aplicaciones de potencia, pero su uso está muy diversificado en muchos sectores. En general, el SiC se suele utilizar en aplicaciones de mayor tensión y potencia, mientras que el GaN destaca en aplicaciones de menor tensión, mayor frecuencia y en las que la alta eficiencia es un objetivo primordial del diseño. Algunos ejemplos de aplicación de los dispositivos de SiC son:
Vehículos eléctricos y cargadores rápidos/transferencia de energía sin contacto: La sustitución de un dispositivo de silicio utilizado en los inversores por un dispositivo de SiC de bajas pérdidas permitirá obtener un inversor más eficiente y ligero, ampliar la autonomía del vehículo eléctrico y reducir la carga de la batería. Los dispositivos de SiC con un alto voltaje de resistencia y un funcionamiento de alta frecuencia son óptimos para los cargadores rápidos de vehículos eléctricos que utilizan la transferencia de energía sin contacto.
Inversores de energías renovables (solar y eólica): En los sistemas de energía solar y eólica, a niveles de potencia más elevados, los inversores de SiC pueden maximizar la producción de energía minimizando las pérdidas de potencia. Otro factor que anima a los fabricantes e ingenieros solares a utilizar SiC en lugar de otros materiales es su durabilidad y fiabilidad. La fiabilidad del carburo de silicio permite que los sistemas de energía solar alcancen la longevidad estable que necesitan para funcionar continuamente durante más de una década. También cabe destacar que los dispositivos GaN están encontrando su lugar en inversores solares más pequeños, especialmente en los "microinversores" por panel, donde la eficiencia es muy valorada.
Accionamientos de motores industriales: SiC proporciona convertidores de motor con mejoras de eficiencia, tamaños más pequeños y mejor rendimiento térmico, lo que permite colocar el convertidor de motor localmente o en el propio motor. La eficiencia del SiC y su capacidad para manejar grandes potencias mejoran el rendimiento de los motores industriales en fábricas y plantas industriales.
Fuentes de alimentación de alto voltaje: Los transistores de SiC son fundamentales para construir fuentes de alimentación de alto voltaje eficientes y compactas.
Mientras que el SiC domina el ámbito de la alta potencia, el GaN destaca en niveles de potencia más bajos (unos pocos kilovatios). Los transistores de GaN ofrecen menores pérdidas de conducción y de energía de conmutación, lo que se traduce en una mayor eficiencia y un factor de forma del sistema reducido. Algunos ejemplos de aplicación son:
Convertidores CC-CC (reguladores de tensión): Las mejoras de eficiencia del GaN lo hacen ideal para reguladores de tensión en diversos dispositivos electrónicos.
Fuentes de alimentación USB-PD: Estos dispositivos deben poder cargarse rápidamente y suministrar múltiples voltajes para permitir la conexión a varios dispositivos. También deben ser lo más compactas posible para permitir su portabilidad. Los dispositivos de GaN, como los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT), son eficaces para cumplir estos requisitos, ya que son dispositivos de alto voltaje capaces de conmutar a MHz manteniendo una alta eficiencia.
Sistemas de radar: Las características de alta densidad de potencia de los dispositivos GaN permiten diseñar sistemas más compactos y ligeros, al tiempo que proporcionan mayores alcances de detección y mayor resolución.
torres de comunicaciones 5G y 6G: La mayor velocidad y densidad de potencia de GaN lo convierten en la solución ideal para aplicaciones de microondas, especialmente en redes 5G y 6G. Las principales alternativas, los dispositivos MOS de silicio con difusión lateral (LDMOS), son más baratos pero ofrecen menos rendimiento. A frecuencias de 4 GHz y superiores, el GaN tiene poca competencia.
Comunicaciones inalámbricas de alta velocidad: Los dispositivos basados en GaN, debido a su alto voltaje de ruptura y a la elevada movilidad de sus electrones, pueden funcionar en la gama de frecuencias de los terahercios, convirtiéndose potencialmente en tecnologías facilitadoras clave para las comunicaciones inalámbricas de ultra alta velocidad de próxima generación
.
Optoelectrónica: El GaN es el material básico de los LED azules y los láseres, que sustentan las tecnologías de visualización y almacenamiento óptico, mientras que los LED blancos basados en GaN son la piedra angular de las modernas soluciones de iluminación de estado sólido de bajo consumo.
En la Tabla 2 se resume una comparación cualitativa entre estos dos semiconductores WBG.
Característica | SiC | GaN | Tensión | Alto (por encima de 650 V) | Media (hasta 650 V) |
|---|---|---|
Potencia | Media a alta | Bajo a medio |
Tolerancia térmica | Alta | Moderado |
Frecuencia | Moderado | Alta |
Tamaño del sistema | Más grande | Más pequeño |
Coste | Baja | Más alto |
Aplicaciones típicas | Redes eléctricas, inversores para VE, motores | Dispositivos de RF, fuentes de alimentación de alta velocidad, diseños compactos |
Cuadro 2: Comparación cualitativa entre SiC y GaN
Impacto medioambiental
A medida que las industrias dan cada vez más prioridad a la sostenibilidad y la responsabilidad medioambiental, resulta esencial evaluar el impacto ambiental de materiales como el SiC y el GaN.
El SiC presenta varias ventajas medioambientales, derivadas principalmente de su durabilidad y eficiencia. Su alta conductividad y sus menores pérdidas por conmutación a altas tensiones reducen las pérdidas de energía en la electrónica de potencia, lo que se traduce en una mayor eficiencia energética y una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. La robustez y fiabilidad del SiC contribuyen a prolongar la vida útil de los productos, reduciendo los residuos electrónicos.
Además, el SiC se considera un material relativamente abundante, con amplias fuentes de silicio y carbono disponibles para su producción, lo que reduce la preocupación por el agotamiento de los recursos. En cuanto a su eliminación, la estabilidad química del SiC lo hace inerte y no tóxico, lo que supone un riesgo mínimo para el medio ambiente al final de su vida útil.
El GaN ofrece ventajas medioambientales principalmente por su eficiencia energética y sus características de alto rendimiento. Su baja resistencia a la conexión y sus rápidas velocidades de conmutación reducen las pérdidas de potencia y, por tanto, el consumo de energía y las emisiones de carbono en varias aplicaciones ya mencionadas.
La preocupación por el impacto medioambiental del GaN gira principalmente en torno a la obtención de galio, un elemento relativamente raro que se extrae mediante procesos mineros. Sin embargo, los esfuerzos en curso para mejorar las técnicas de extracción del galio y explorar fuentes alternativas pretenden mitigar estas preocupaciones y garantizar una producción sostenible de GaN.
Aunque el SiC y el GaN ofrecen importantes ventajas medioambientales en comparación con los materiales semiconductores convencionales, es esencial seguir investigando y desarrollando para optimizar aún más sus perfiles de sostenibilidad.
Costes y cadena de suministro
Uno de los principales problemas de adquisición de GaN y SiC es su coste relativamente más elevado que el del silicio. El GaN y el SiC son más caros, sobre todo por la complejidad de sus procesos de crecimiento y fabricación de dispositivos. Por ejemplo, el crecimiento epitaxial necesario para obtener capas de GaN y SiC de alta calidad implica técnicas avanzadas más costosas y menos maduras que las utilizadas para el silicio.
Además, la disponibilidad de obleas de gran diámetro es limitada, lo que eleva los costes y afecta a la escalabilidad del proceso de fabricación. Este obstáculo puede disuadir a algunos sectores, sobre todo a los que operan con márgenes estrechos, de adoptar estos semiconductores avanzados.
La cadena de suministro y el control de calidad plantean retos adicionales. El estado relativamente incipiente de la fabricación de GaN y SiC significa que pocos proveedores pueden producir materiales de alta calidad de forma constante. Esto puede provocar cuellos de botella y plazos de entrega más largos.
Además, para garantizar la fiabilidad y consistencia de los dispositivos se requieren estrictas medidas de control de calidad.
Sin embargo, la industria está avanzando a pasos agigantados en la resolución de estos problemas. Los avances en la producción a granel, el crecimiento epitaxial y la fabricación de dispositivos reducen constantemente los costes y mejoran la calidad de los dispositivos de GaN y SiC. Además, a medida que se consigan economías de escala, se espera que se reduzca la disparidad de precios con el silicio, lo que hará que los semiconductores de banda prohibida ancha alcancen una adopción aún mayor.
WBG: El futuro de la electrónica
La elección entre SiC y GaN depende de los requisitos específicos de cada aplicación. Mientras que el SiC es la solución ideal para aplicaciones de alto voltaje y alta potencia, el GaN destaca en escenarios de alta frecuencia y eficiencia. A la hora de tomar una decisión, el diseñador de un sistema debe tener en cuenta factores como la tensión nominal, la potencia necesaria, el rango de frecuencias, la tolerancia a la temperatura y el presupuesto. Además, si el proyecto exige componentes de fácil disponibilidad y prácticas de diseño establecidas, el SiC puede ser la opción más práctica.
Sea cual sea el material elegido, tanto el SiC como el GaN representan el futuro de la electrónica de potencia. Con los vehículos eléctricos, los sistemas de energías renovables y la electrónica de consumo de nueva generación superando los límites de lo posible, los materiales de banda prohibida ancha están llamados a ocupar un lugar central.
