Este artigo analisa o arsenieto de gálio, e explora como ele se compara a outros materiais semicondutores populares, e explora os diferentes componentes que utilizam cada material.

Silício há muito tempo tem ocupado o seu lugar como o material chave em semicondutores. No entanto, o arsenieto de gálio, juntamente com outros compostos como nitreto de gálio e carboneto de silício, estão agora compartilhando o estágio. Então o que é arsenieto de gálio e como ele se diferencia de outros compostos? Vamos explorar este composto e ver como ele está sendo usado como material semicondutor.

O que é arsenieto de gálio?

Arsenieto de gálio (GaAs) é um composto construído a partir dos elementos gálio e arsênico. É frequentemente referido como um composto III-V porque gálio e arsênico estão no grupo III e no grupo V da tabela periódica, respectivamente.

Figure 1. O composto de arsenieto de gálio. Marrom representa o gálio e roxo representa o arsênico. Imagem cortesia de Shandirai Malven Tunhuma – Universidade de Pretória.

O uso de arsenieto de gálio não é uma nova tecnologia. Na verdade, a DARPA tem financiado pesquisas sobre a tecnologia desde os anos 70. Enquanto a tecnologia baseada no silício tem sido “a substância de base da revolução microeletrônica, os circuitos GaAs operam nas frequências mais altas e potências de amplificação de sinal que tornaram prático um mundo conectado por telefones celulares do tamanho da palma da mão”.

O arsenieto de gálio levou à miniaturização dos receptores GPS nos anos 80. Isto tornou possível as munições de precisão guiadas a laser que entraram nos arsenais americanos durante esse período de tempo.

Bandgaps in Different Semiconductor Materials

Sem entrar em física teórica profunda, as bandgaps de um material delimitam o espaço entre as camadas atómicas da casca de um material. O espaço maior significa que é necessária mais energia para que os elétrons do semicondutor “pulem” para a próxima casca e para que o semicondutor se transforme em estado condutivo. Como veremos, isto tem uma série de ramificações importantes.

Comparando GaAs, Si, SiC e GaN Bandgaps

Com alta mobilidade eletrônica, dispositivos semicondutores construídos de GaAs podem funcionar em freqüências nas centenas de GHz.

Embora não seja verdadeiramente considerado um material de “banda larga”, os GaAs têm um bandgap consideravelmente maior do que o silício. Criticamente, isto torna os GaAs altamente resistentes à radiação e, portanto, uma grande escolha para aplicações de defesa e aeroespaciais. Outro ponto de venda é que os dispositivos GaAs são muito mais resistentes ao calor e emitem menos EMI.

GaAs apresenta um bandgap direto em oposição ao bandgap indireto de silício. Por causa disso, os GaAs podem emitir luz muito mais eficazmente do que aqueles feitos de silicone. Isto dá aos GaAs LEDs uma clara vantagem sobre aqueles construídos de silício.

Uma grande vantagem do silicone é que no mundo real da fabricação em massa, o silicone é muito mais fácil de trabalhar. O silício tem um “óxido nativo”, dióxido de silício (SiO2). Este isolante pronto é uma vantagem inestimável na fabricação de dispositivos de silício. GaAs não tem análogo.

Nesta escrita, processos de silício até o nível de sete nanômetros estão sendo desenvolvidos. 500 nanômetros é o mais baixo que os GaAs podem ir neste momento. E enquanto os GaAs são rápidos, é preciso energia. Assim, para a lógica comum de média e baixa velocidade, o silício ainda pode ser o caminho a seguir

Nitreto de Gálio e Carboneto de Silício

Como detalhado abaixo, o carboneto de silício (SiC) e o nitreto de gálio (GaN) apresentam diferenças consideravelmente maiores do que as do silício ou GaAs.

Comparação das lacunas

Material	Bandgap
Silício (Si)	1.1 electronvolts (eV)
Gallium Arsenide (GaAs)	1.4 electrões-volts (eV)
Carboneto de silício (SiC)	3.0 electrões-volts (eV)
Nitreto de gálio (GaN)	3.4 electrões-volts (eV)

Carboneto de silício pode ser utilizado para construir MOSFETs de alta tensão, aplicações de alta potência operando a alta frequência. Eles podem tolerar altas temperaturas e apresentam valores RDS (on) que são estáveis com a temperatura. RDS é a resistência do dreno à fonte, um parâmetro extremamente crítico em qualquer aplicação de energia.

Figure 2. Carboneto de silício. Imagem (modificada) cortesia da Universidade de Munster.

Nitreto de gálio tem um bandgap ainda maior do que o carboneto de silício e maior mobilidade dos elétrons também. As capacidades de saída e de portões inerentemente mais baixas da tecnologia permitem uma operação de alta velocidade. Os dispositivos GaN não possuem o diodo de corpo inerente aos dispositivos baseados em silício. Isto serve para eliminar a perda de recuperação, aumentar a eficiência operacional e reduzir o EMI.

Figure 3. Nitreto de gálio. Imagem cortesia da Universidade de Bristol.

Carboneto de silício pode ser empregado para construir MOSFETs de alta tensão, aplicações de alta potência operando em alta freqüência. Eles podem tolerar altas temperaturas e apresentam valores RDS (on) que são estáveis com a temperatura. RDS é a resistência do dreno à fonte, um parâmetro extremamente crítico em qualquer aplicação de energia.

Nitreto de Gálio tem um limite ainda maior do que o carboneto de silício e maior mobilidade de elétrons, também. As capacidades de saída e de portões inerentemente mais baixas da tecnologia permitem uma operação de alta velocidade. Os dispositivos GaN não possuem o diodo de corpo inerente aos dispositivos baseados em silício. Isto serve para eliminar a perda de recuperação, aumentar a eficiência operacional e reduzir o EMI.

O dispositivo LMG3410R050 GaN da Texas Instruments

A abordagem do ICT é incluir o circuito driver do portão juntamente com um transistor 600V GaN. As vantagens inerentes ao LMG341xR050 (PDF) sobre os MOSFETs de silício incluem capacidades de entrada e saída ultra-baixas para operação em alta velocidade. A redução de perdas por meio da recuperação reversa zero é outro benefício.

Figure 4. A LMG3410R050. Imagem cortesia da Texas Instruments.

GaN dispositivos como o LMG3410R050 não têm perdas de recuperação reversa porque, ao contrário do silicone MOSFETS, não há junção PN entre a fonte e o dreno.

O condutor do portão integrado está especialmente sintonizado no dispositivo GaN para uma condução rápida sem zumbido no portão. Ele economiza tempo, espaço e custos de lista técnica para OEM’s e protege contra falhas, fornecendo proteção contra sobrecorrente e sobretemperatura.

Compromisso Bilionário do Cree com o SiC MOSFETS

No mundo dos semicondutores de alta capacidade, o SiC é outro poderoso concorrente, como evidenciado pelo compromisso de Cree com a tecnologia.

Cree oferece muitos SiC MOSFETs, incluindo o C2M0045170D. Este dispositivo é classificado em 1700V e 72A. A temperatura máxima da junção é de 150°C. É importante notar que ele possui um RDS (on) de apenas 45 miliohms.

O CAB450M12XM3 da empresa (PDF) é um módulo de meia ponte de carboneto de silício de 1200V, 450A.

Figure 5. O CAB450M12XM3. Imagem cortesia da Cree-Wolfspeed (PDF).

Continua operação de junção a 175°C é possível. Este dispositivo de alta potência foi concebido para:

• Rodas de motor e tracção
• Carregadores rápidos para veículos
• Fonte de alimentação ininterrupta

Leds de arsenieto de gálio

Estes dispositivos são mais comummente oferecidos em wafers, mas a Vishay oferece o TSUS4300 (PDF), um LED de GaAs discreto que irradia a 950 nanómetros. Uma de suas especificações é que eles oferecem “boa combinação espectral com fotodetectores Si”, prescrevendo o ponto central de nossa próxima seção abaixo.

Is Gallium Arsenide a Better Choice than Silicon?

Discutimos algumas generalidades e características gerais, mas os designers têm que analisar cuidadosamente as necessidades particulares de desenhos específicos e não fazer sua escolha de material com base em noções pré-concebidas. Por vezes, a resposta não será a esperada inicialmente.

Num artigo escrito pela Theresa Corrigan da Analog Device, os CMOS MOSFETs de canal N são contrastados com os dispositivos GaAs quando servem como comutadores electrónicos de banda larga (900 MHz ou superior).

As Vantagens dos GaAs

• Baixa resistência
• Baixa capacitância
• Alta linearidade em altas frequências