Arsenuro di gallio: Un altro giocatore nella tecnologia dei semiconduttori
Questo articolo esamina l’arseniuro di gallio, ed esplora come si confronta con altri materiali semiconduttori popolari, ed esplora i diversi componenti che utilizzano ogni materiale.
Il silicio ha tenuto a lungo il suo posto come materiale chiave nei semiconduttori. Tuttavia, l’arseniuro di gallio, insieme ad altri composti come il nitruro di gallio e il carburo di silicio, stanno ora condividendo la scena. Cos’è dunque l’arseniuro di gallio e come si differenzia dagli altri composti? Esploriamo questo composto e diamo un’occhiata a come viene usato come materiale semiconduttore.
Che cos’è l’arseniuro di gallio?
L’arseniuro di gallio (GaAs) è un composto costruito dagli elementi gallio e arsenico. Viene spesso chiamato un composto III-V perché il gallio e l’arsenico sono rispettivamente nel III gruppo e nel V gruppo della tavola periodica.
Figura 1. Il composto arseniuro di gallio. Il marrone rappresenta il gallio e il viola l’arsenico. Immagine per gentile concessione di Shandirai Malven Tunhuma – Università di Pretoria.
L’uso dell’arseniuro di gallio non è una nuova tecnologia. Infatti, DARPA ha finanziato la ricerca su questa tecnologia fin dagli anni ’70. Mentre la tecnologia basata sul silicio è stata “la sostanza portante della rivoluzione microelettronica, i circuiti GaAs operano alle frequenze più alte e ai poteri di amplificazione del segnale che hanno reso pratico un mondo collegato da telefoni cellulari palmari”.
L’arseniuro di gallio ha portato alla miniaturizzazione dei ricevitori GPS negli anni 80. Questo ha reso possibile le munizioni di precisione a guida laser che sono entrate negli arsenali statunitensi in quel periodo.
Bandgaps in diversi materiali semiconduttori
Senza entrare nella fisica teorica profonda, il bandgaps di un materiale è lo spazio tra gli strati del guscio atomico di un materiale. Lo spazio più grande significa che ci vuole più energia per far “saltare” gli elettroni del semiconduttore al guscio successivo e per far passare il semiconduttore allo stato conduttivo. Come vedremo, questo ha una serie di importanti ramificazioni.
Confronto dei bandgap di GaAs, Si, SiC e GaN
Con l’alta mobilità degli elettroni, i dispositivi a semiconduttore costruiti con GaAs possono funzionare a frequenze di centinaia di GHz.
Sebbene non sia considerato veramente un materiale con “ampio bandgap”, il GaAs ha un bandgap considerevolmente più alto del silicio. Criticamente, questo rende il GaAs altamente resistente alle radiazioni e quindi una grande scelta per la difesa e le applicazioni aerospaziali. Un altro punto di forza è che i dispositivi GaAs sono molto più resistenti al calore ed emettono meno EMI.
Il GaAs ha un bandgap diretto rispetto al bandgap indiretto del silicio. Per questo motivo, il GaAs può emettere luce molto più efficacemente di quelli fatti di silicio. Questo dà ai LED di GaAs un chiaro vantaggio rispetto a quelli costruiti in silicio.
Un grande vantaggio del silicio è che nel mondo reale della produzione di massa, il silicio è molto più facile da lavorare. Il silicio ha un “ossido nativo”, il biossido di silicio (SiO2). Questo isolante pronto è una risorsa inestimabile nella fabbricazione di dispositivi al silicio. Il GaAs non ha analoghi.
Al momento in cui scriviamo, si stanno sviluppando processi al silicio fino al livello dei sette nanometri. 500 nanometri è il livello più basso che il GaAs può raggiungere in questo momento. E mentre il GaAs è veloce, richiede potenza. Quindi, per la logica ordinaria a media e bassa velocità, il silicio può ancora essere la strada da percorrere
Nitruro di gallio e carburo di silicio
Come dettagliato di seguito, il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) presentano bandgap che sono considerevolmente in eccesso rispetto a quelli del silicio o del GaAs.
| Materiale | Bandgap |
| Silicio (Si) | 1.1 elettronvolt (eV) |
| Arsenuro di gallio (GaAs) | 1.4 elettronvolt (eV) |
| Carburo di silicio (SiC) | 3.0 elettronvolt (eV) |
| Nitro di gallio (GaN) | 3.4 elettronvolt (eV) |
Il carburo di silicio può essere impiegato per costruire MOSFET di potenza per applicazioni ad alta tensione e alta potenza operanti ad alta frequenza. Possono tollerare alte temperature e presentano valori di RDS (on) che sono stabili con la temperatura. RDS è la resistenza da drain a source, un parametro estremamente critico in qualsiasi applicazione di potenza.
Figura 2. Carburo di silicio. Immagine (modificata) per gentile concessione dell’Università di Munster.
Il nitruro di gallio ha un bandgap ancora più alto del carburo di silicio e una maggiore mobilità degli elettroni. Le capacità di uscita e di gate intrinsecamente più basse di questa tecnologia permettono un funzionamento ad alta velocità. I dispositivi GaN non hanno il diodo di corpo che è inerente ai dispositivi a base di silicio. Questo serve per eliminare la perdita di recupero, aumentare l’efficienza operativa e ridurre l’EMI.
Figura 3. Nitruro di gallio. Immagine per gentile concessione dell’Università di Bristol.
Il carburo di silicio può essere impiegato per costruire MOSFET di potenza per applicazioni ad alta tensione e alta potenza operanti ad alta frequenza. Possono tollerare alte temperature e presentano valori di RDS (on) che sono stabili con la temperatura. RDS è la resistenza da drenaggio a sorgente, un parametro estremamente critico in qualsiasi applicazione di potenza.
Il nitruro di gallio ha un bandgap ancora più alto del carburo di silicio e anche una maggiore mobilità degli elettroni. Le capacità di uscita e di gate intrinsecamente più basse di questa tecnologia permettono un funzionamento ad alta velocità. I dispositivi GaN non hanno il diodo di corpo che è inerente ai dispositivi a base di silicio. Questo serve per eliminare la perdita di recupero, aumentare l’efficienza operativa e ridurre l’EMI.
Il dispositivo LMG3410R050 GaN di Texas Instruments
L’approccio di TI è quello di includere un circuito di driver di gate insieme a un transistor GaN da 600V. I vantaggi intrinseci di LMG341xR050 (PDF) rispetto ai MOSFET al silicio includono capacità di ingresso e uscita ultra-basse per il funzionamento ad alta velocità. La riduzione della perdita di commutazione attraverso il recupero inverso zero è un altro vantaggio.
Figura 4. Il LMG3410R050. Immagine per gentile concessione di Texas Instruments.
I dispositivi GaN come il LMG3410R050 non hanno perdite di recupero inverso perché, a differenza dei MOSFETS al silicio, non c’è una giunzione PN tra sorgente e scarico.
Il driver di gate integrato è appositamente sintonizzato sul dispositivo GaN per un pilotaggio veloce senza risuonare sul gate. Fa risparmiare tempo, spazio e costi BOM per gli OEM e protegge dai guasti fornendo una protezione da sovracorrente e sovratemperatura.
L’impegno miliardario di Cree nei MOSFET SiC
Nel mondo dei semiconduttori ad alto bandgap, SiC è un altro potente concorrente, come dimostra l’impegno di Cree in questa tecnologia.
Cree offre molti MOSFET SiC, compreso il C2M0045170D. Questo dispositivo è valutato a 1700V e 72A. La temperatura massima di giunzione è di 150°C. È importante notare che ha un RDS (on) di soli 45 milliohms.
Il CAB450M12XM3 dell’azienda (PDF) è un modulo half-bridge al carburo di silicio da 1200V e 450A.
Figura 5. Il CAB450M12XM3. Immagine per gentile concessione di Cree-Wolfspeed (PDF).
È possibile un funzionamento continuo della giunzione a 175°C. Questo dispositivo ad alta potenza è progettato per:
- Rivette per motori e trazione
- Caricatori veloci per veicoli
- Conservatori di continuità
LED all’arseniuro di gallio
Questi dispositivi sono più comunemente offerti in wafer, ma Vishay offre il TSUS4300 (PDF), un LED GaAs discreto che irradia a 950 nanometri. Una delle loro specifiche è che offrono “una buona corrispondenza spettrale con i fotorivelatori al Si”, presagendo il punto centrale della nostra prossima sezione qui sotto.
L’arseniuro di gallio è una scelta migliore del silicio?
Abbiamo discusso alcune generalità e caratteristiche generali, ma i progettisti devono analizzare attentamente le particolari esigenze dei progetti specifici e non fare la loro scelta del materiale sulla base di nozioni preconcette. A volte, la risposta non sarà quella che ci si aspettava inizialmente.
In un articolo scritto da Theresa Corrigan di Analog Device, i MOSFET CMOS a canale N sono in contrasto con i dispositivi GaAs quando servono come interruttori elettronici a banda larga (900 MHz e oltre).
I vantaggi del GaAs
- Bassa resistenza on
- Bassa capacità off
- Alta linearità alle alte frequenze