¿Qué son los Dispositivos de Potencia GaN?
Los dispositivos de potencia GaN son dispositivos semiconductores de potencia de nueva generación formados a partir de cristales de nitruro de galio.
Los dispositivos de potencia GaN han atraído mucha atención en los últimos años porque pueden manejar mayor potencia con menos pérdidas que los dispositivos de potencia fabricados en silicio convencional mediante procesos semiconductores. Sin embargo, las recientes innovaciones tecnológicas relacionadas con los semiconductores compuestos están resolviendo estos problemas.
La mayor eficiencia de los dispositivos de potencia GaN también permite simplificar el mecanismo de eliminación del calor, etc., lo que contribuye a obtener productos mucho más pequeños y de menor consumo.
Aplicaciones de los Dispositivos de Potencia GaN
Los dispositivos de potencia GaN se utilizan ampliamente en cargadores que permiten la carga rápida de smartphones y PC, y en amplificadores para estaciones base de telefonía móvil. Como pueden manejar más potencia que los dispositivos de potencia basados en silicio, suelen utilizarse en cargadores de PC y amplificadores para estaciones base como aplicaciones de sustitución.
Los dispositivos de potencia GaN de alta eficiencia también están empezando a utilizarse en acondicionadores de potencia para sistemas de generación de energía fotovoltaica y otras aplicaciones que requieren una eficiencia de conversión extremadamente alta. Además, como también es posible el funcionamiento de conmutación a alta velocidad, los dispositivos de potencia de GaN también se utilizan como fuentes de alimentación de conmutación en equipos de servidor, por ejemplo, donde se requiere estabilidad de la fuente de alimentación.
Principio de los Dispositivos de Potencia GaN
El principio de los dispositivos de potencia GaN reside en el hecho de que el GaN es un dispositivo que puede soportar campos eléctricos elevados, con una propiedad semiconductora denominada brecha de banda que es aproximadamente tres veces superior a la del Si, lo que garantiza una densidad de potencia operativa extremadamente alta por unidad de superficie del dispositivo.
Los dispositivos de potencia GaN suelen consistir en un circuito transistorizado de alta movilidad de electrones denominado estructura HEMT. La estructura HEMT está normalmente en ON, con corriente fluyendo en todo momento, y se apaga aplicando una tensión negativa a la puerta. Por lo tanto, si no se puede aplicar una tensión negativa al electrodo de puerta debido a algún problema, no se puede apagar y se vuelve muy inestable.
Los dispositivos de potencia GaN tienen este tipo de problemas de fiabilidad, por lo que conseguir una desconexión normal estable ha sido un reto desde el punto de vista de la facilidad de uso. Por lo tanto, la función normalmente OFF se consigue incorporando Si-MOSFETs normalmente OFF en el electrodo de puerta.
Otro reto es el fenómeno físico conocido como colapso de corriente. Se trata de un fenómeno en el que aumenta la resistencia en ON y se produce una concentración de corriente durante la conmutación de alto voltaje, y se debe a defectos en el proceso de fabricación del cristal de GaN.Los Dispositivos de potencia GaN requieren la formación de películas de GaN sobre obleas de Si y SiC, pero gracias a las innovaciones en la tecnología de deposición de películas finas de cristal, ahora es posible una deposición de alta calidad. Sin embargo, gracias a las innovaciones en la tecnología de deposición de películas finas cristalinas, ahora es posible una deposición de alta calidad.
Otra Información sobre Dispositivos de Potencia GaN
1. Segregación entre GaN y SiC
El GaN y el SiC tienen una gran resistencia a la ruptura dieléctrica debido a su gran brecha de banda, lo que facilita el aumento de la tensión de ruptura del dispositivo. Esto los hace adecuados para aplicaciones de alta corriente y alto voltaje. En particular, el SiC se utiliza a menudo en aplicaciones de alta corriente, como vehículos eléctricos, sistemas de generación de energía y otras aplicaciones accionadas por motor, debido a su tensión de ruptura del dispositivo, y se prevé que el SiC sustituirá a los IGBT en un futuro próximo.
Por otro lado, aunque los dispositivos de potencia GaN no tienen la misma tensión de ruptura que el SiC, se utilizan ampliamente en aplicaciones en las que se requieren altas velocidades de conmutación y funcionamiento a alta frecuencia, ya que tienen una frecuencia de corte (fT) especialmente alta, lo que indica características de alta frecuencia, y pueden aprovechar la alta movilidad de los electrones.
En otras palabras, el GaN y el SiC se dividen en dispositivos de GaN para carga de conmutación de alta velocidad y aplicaciones de alta frecuencia para estaciones base 5G, y dispositivos de SiC para tensiones de resistencia más altas y corrientes más elevadas.
2. Tendencias en Semiconductores de Potencia Basados en GaN
Los semiconductores de potencia de GaN pueden dividirse ahora en dos categorías principales: los destinados a la carga a bordo de vehículos eléctricos a una tensión relativamente alta de 650 V y superior, y las aplicaciones destinadas a la conversión de tensión en convertidores CC-CC de 48 V a 12 V en vehículos eléctricos híbridos. Ambos son semiconductores de potencia GaN que, junto con los dispositivos de SiC, se espera que impulsen el mercado de dispositivos de banda prohibida ancha (WBG) en el futuro.
Los retos para la comercialización de estas nuevas aplicaciones son la fiabilidad, los rendimientos de fabricación y el coste, pero gracias a los esfuerzos de las empresas de semiconductores de todo el mundo, el potencial de comercialización está avanzando a pasos agigantados.
3. Aplicaciones de los Dispositivos GaN
Otras áreas de aplicación de los dispositivos de GaN son las aplicaciones de fuentes de luz: como el GaN es un semiconductor de transición directa entre los semiconductores compuestos, hay grandes expectativas puestas en el GaN como material para fuentes de luz LED y diodos láser de alta eficiencia luminosa.
Como dispositivo electrónico, también se espera que se utilice como transistores amplificadores de alta potencia y alta frecuencia para aplicaciones de ondas milimétricas y sub-THz.