Arseniuro de galio: Otro actor en la tecnología de los semiconductores
Este artículo analiza el arseniuro de galio, y explora su comparación con otros materiales semiconductores populares, así como los diferentes componentes que utilizan cada material.
El silicio ha ocupado durante mucho tiempo su lugar como material clave en los semiconductores. Sin embargo, el arseniuro de galio, junto con otros compuestos como el nitruro de galio y el carburo de silicio, comparten ahora el escenario. ¿Qué es el arseniuro de galio y en qué se diferencia de otros compuestos? Exploremos este compuesto y veamos cómo se utiliza como material semiconductor.
¿Qué es el arseniuro de galio?
El arseniuro de galio (GaAs) es un compuesto formado por los elementos galio y arsénico. A menudo se le denomina compuesto III-V porque el galio y el arsénico pertenecen al grupo III y al grupo V de la tabla periódica, respectivamente.
Figura 1. El compuesto de arseniuro de galio. El marrón representa el galio y el morado el arsénico. Imagen cortesía de Shandirai Malven Tunhuma – Universidad de Pretoria.
El uso del arseniuro de galio no es una tecnología nueva. De hecho, DARPA lleva financiando la investigación de esta tecnología desde la década de 1970. Mientras que la tecnología basada en el silicio ha sido «la sustancia vertebral de la revolución microelectrónica, los circuitos de GaAs funcionan a las frecuencias más altas y a las potencias de amplificación de la señal que han hecho práctico un mundo conectado por teléfonos móviles del tamaño de la palma de la mano.»
El arseniuro de galio permitió la miniaturización de los receptores GPS en la década de 1980. Esto hizo posible las municiones de precisión guiadas por láser que entraron en los arsenales estadounidenses durante ese periodo.
Bandgaps en diferentes materiales semiconductores
Sin entrar en la física teórica profunda, los bandgaps de un material son el espacio entre las capas de la capa atómica de un material. Un espacio mayor significa que se necesita más energía para que los electrones del semiconductor «salten» a la siguiente capa y para que el semiconductor pase a un estado conductor. Como veremos, esto tiene una serie de ramificaciones importantes.
Comparación de los Bandgaps de GaAs, Si, SiC y GaN
Con una alta movilidad de los electrones, los dispositivos semiconductores construidos con GaAs pueden funcionar a frecuencias de cientos de GHz.
Aunque no se considera realmente un material de «banda ancha», el GaAs tiene un bandgap considerablemente mayor que el del silicio. Esto hace que el GaAs sea muy resistente a la radiación y, por lo tanto, una gran opción para las aplicaciones de defensa y aeroespaciales. Otro argumento de venta es que los dispositivos de GaAs son mucho más resistentes al calor y emiten menos EMI.
El GaAs presenta un bandgap directo, a diferencia del bandgap indirecto del silicio. Por ello, el GaAs puede emitir luz de forma mucho más eficaz que los fabricados con silicio. Esto da a los LEDs de GaAs una clara ventaja sobre los construidos con silicio.
Una de las principales ventajas del silicio es que, en el mundo real de la fabricación en masa, es mucho más fácil trabajar con él. El silicio tiene un «óxido nativo», el dióxido de silicio (SiO2). Este aislante listo es una ventaja inestimable para fabricar dispositivos de silicio. El GaAs no tiene ningún análogo.
En este momento, se están desarrollando procesos de silicio hasta el nivel de siete nanómetros. 500 nanómetros es lo más bajo que puede llegar el GaAs en este momento. Y aunque el GaAs es rápido, requiere energía. Así que, para la lógica ordinaria de velocidad media y baja, el silicio puede seguir siendo el camino a seguir
Nitruro de galio y carburo de silicio
Como se detalla a continuación, el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) presentan bandgaps que superan considerablemente a los del silicio o el GaAs.
| Material | Bandgap |
| Silicio (Si) | 1.1 electronvoltios (eV) |
| Arseniuro de galio (GaAs) | 1.4 electronvoltios (eV) |
| Carburo de silicio (SiC) | 3,0 electronvoltios (eV) |
| Nitruro de galio (GaN) | 3.4 electronvoltios (eV) |
El carburo de silicio puede emplearse para construir MOSFETs de potencia para aplicaciones de alto voltaje y alta potencia que funcionen a alta frecuencia. Pueden tolerar altas temperaturas y presentan valores de RDS (encendido) que son estables con la temperatura. La RDS es la resistencia del drenaje a la fuente, un parámetro extremadamente crítico en cualquier aplicación de potencia.
Figura 2. Carburo de silicio. Imagen (modificada) por cortesía de la Universidad de Munster.
El nitruro de galio tiene un bandgap aún mayor que el carburo de silicio y también una mayor movilidad de electrones. Las capacitancias de salida y de puerta intrínsecamente más bajas de esta tecnología permiten además el funcionamiento a alta velocidad. Los dispositivos de GaN carecen del cuerpo de diodo inherente a los dispositivos basados en el silicio. Esto sirve para eliminar la pérdida de recuperación, aumentar la eficiencia operativa y reducir la EMI.
Figura 3. Nitruro de galio. Imagen por cortesía de la Universidad de Bristol.
El carburo de silicio puede emplearse para construir MOSFET de potencia para aplicaciones de alto voltaje y alta potencia que funcionen a alta frecuencia. Pueden tolerar altas temperaturas y presentan valores de RDS (encendido) que son estables con la temperatura. El RDS es la resistencia del drenaje a la fuente, un parámetro extremadamente crítico en cualquier aplicación de potencia.
El nitruro de galio tiene un bandgap aún más alto que el carburo de silicio y también una mayor movilidad de electrones. Las capacitancias de salida y de puerta intrínsecamente más bajas de esta tecnología permiten además el funcionamiento a alta velocidad. Los dispositivos de GaN carecen del cuerpo de diodo inherente a los dispositivos basados en el silicio. Esto sirve para eliminar la pérdida de recuperación, aumentar la eficiencia operativa y reducir la EMI.
El dispositivo GaN LMG3410R050 de Texas Instruments
El enfoque de TI consiste en incluir circuitos de controlador de puerta junto con un transistor GaN de 600V. Las ventajas inherentes del LMG341xR050 (PDF) respecto a los MOSFET de silicio incluyen capacitancias de entrada y salida ultrabajas para un funcionamiento a alta velocidad. Otra ventaja es la reducción de las pérdidas de conmutación gracias a la recuperación inversa cero.
Figura 4. El LMG3410R050. Imagen por cortesía de Texas Instruments.
Los dispositivos de GaN como el LMG3410R050 no tienen pérdidas de recuperación inversa porque, a diferencia de los MOSFETS de silicio, no hay una unión PN entre la fuente y el drenaje.
El controlador de puerta integrado está especialmente adaptado al dispositivo GaN para una conducción rápida sin anillos en la puerta. Ahorra tiempo, espacio y costes de BOM para los OEM y protege contra los fallos proporcionando protección contra la sobrecorriente y la sobretemperatura.
El compromiso de mil millones de dólares de Cree con los MOSFETS de SiC
En el mundo de los semiconductores de alto bandgap, el SiC es otro poderoso competidor, como demuestra el compromiso de Cree con esta tecnología.
Cree ofrece muchos MOSFET de SiC, incluido el C2M0045170D. Este dispositivo tiene una potencia nominal de 1700V y 72A. La temperatura de unión máxima es de 150°C. Es importante destacar que tiene un RDS (encendido) de sólo 45 miliohmios.
El CAB450M12XM3 (PDF) de la empresa es un módulo de medio puente de carburo de silicio de 1200V y 450A.
Figura 5. El CAB450M12XM3. Imagen cortesía de Cree-Wolfspeed (PDF).
Es posible el funcionamiento continuo de la unión a 175°C. Este dispositivo de alta potencia está diseñado para:
- Remaches de motor y tracción
- Cargadores rápidos para vehículos
- Sistemas de alimentación ininterrumpida
LEDs de arseniuro de galio
Estos dispositivos se ofrecen más comúnmente en obleas, pero Vishay ofrece el TSUS4300 (PDF), un LED discreto de GaAs que irradia a 950 nanómetros. Una de sus especificaciones es que ofrecen «una buena coincidencia espectral con los fotodetectores de Si», lo que presagia el punto central de nuestra siguiente sección.
¿Es el arseniuro de galio una mejor opción que el silicio?
Hemos hablado de algunas generalidades y características globales, pero los diseñadores tienen que analizar cuidadosamente las necesidades particulares de los diseños específicos y no hacer su elección de material basándose en nociones preconcebidas. A veces, la respuesta no será la que se esperaba inicialmente.
En un artículo escrito por Theresa Corrigan, de Analog Device, se contrastan los MOSFETs de canal N con los dispositivos de GaAs cuando sirven como interruptores electrónicos de banda ancha (900 MHz o más).
Las ventajas del GaAs
- Baja resistencia de encendido
- Baja capacitancia de apagado
- Alta linealidad a altas frecuencias