RF power transistors: nuove tecnologie
ago 052026
Oggi il ritmo di miglioramento dei dispositivi al silicio (Si) si è ormai stabilizzato, poiché le loro prestazioni sono prossime al limite teorico imposto dalla fisica fondamentale basata sui materiali e sui processi. Ciò implica che in futuro non si registreranno ulteriori progressi in parametri chiave quali la resistenza Rds(on), le tensioni nominali, la velocità di commutazione, il packaging, l'efficienza e altre caratteristiche nei transistor al silicio. Il band-gap di un semiconduttore è correlato alla forza dei legami chimici tra gli atomi nel reticolo. Legami più forti rendono più difficile per un elettrone passare da una regione a quella successiva; di conseguenza sono previste correnti di perdita intrinseche più basse e temperature operative più elevate per i semiconduttori con maggiore band-gap. In questo contesto, sia il SiC (il carburo di silicio) che il GaN (il nitruro di gallio) presentano un band-gap triplicato rispetto a quello del semplice silicio come materiale semiconduttore e così la ricerca oggi si sta orientando verso lo sviluppo di semiconduttori basati proprio su questi due nuovi materiali.
Il SiC è un materiale sul quale di era concentrata inizialmente la Cree di Durham, North Carolina USA, e che oggi si è scissa in due dipartimenti distinti: uno si chiama CreeLED che si occupa di fabbricazione di LED di potenza, mentre l'altra si chiama Wolfspeed, azienda leader nel settore dei transistor di potenza realizzati col SiC, ma inizialmente anche col GaN su substrato SiC. Questi dispositivi hanno numerosi vantaggi: sono economici, molto veloci a commutare, hanno una bassa resistenza di perdita e sopportano temperature di esercizio elevate. Per contro hanno il “difetto†di dissipare male verso un eventuale radiatore esterno per colpa della scarsa conduttività termica del substrato, inferiore a quella del comune silicio. Questo piccolo difetto sta limitando lo sviluppo di questi nuovi transistor di potenza, ma anche per l'innata diffidenza verso l'utilizzo di nuove tecnologie da parte dei progettisti; ciò incide molto sui costi di produzione e quindi anche sul prezzo. In genere queste difficoltà iniziali si superano con un netto salto di qualità nel breve-medio periodo, cosa questa che purtroppo ancora non è accaduta.
Invece il nitruro di gallio (GaN) si sta pian piano affermando nel settore RF e microonde grazie anche al “piccolo†contributo del Prof. Carver Mead, che nel lontano 1966 presentò al mondo il primo “MES-FET†(Metal-Semiconductor FET); esso utilizzava una barriera Shottky per isolare il gate dal canale, in origine però esso era basato soltanto sull'arseniuro di gallio (GaAs), un materiale che serviva per superare i limiti di frequenza operativa imposta dal silicio e pertanto rappresentava l'unica vera opportunità tecnologica per operare sulle microonde. Nel 1993, invece, fu sviluppato il primo MES-FET utilizzando il GaN come semiconduttore, un materiale ad alta mobilità elettronica più robusto rispetto al GaAs e più facile da gestire in produzione. Così, nel 2006 iniziò una produzione di massa di transistor GaN su substrato di silicio in modalità “enhacement†per provare a sostituire quelli LD-MOS. Il costo di questi dispositivi però non era conveniente e così tale modalità rimase ancorata solo allo sviluppo di transistor MOS switching molto compatti per tensioni elevate alternativi a quelli realizzati col semplice silicio. Al contrario quelli in modalità “depletion†rimpiazzarono quasi immediatamente molti dispositivi GaAs e InP (fosfuro di indio) per le microonde, soprattutto quelli utilizzati per le bande a frequenza più bassa (banda “Lâ€, banda “S†e banda “Câ€) poiché l'introduzione del GaN come semiconduttore è riuscito ad abbattere drasticamente i costi di produzione a parità di potenza erogabile rispetto al GaAs. Naturalmente i quantitativi del gallio in natura sono nettamente inferiori rispetto al comune silicio e pertanto sotto i 2GHz l'utilizzo di tale materiale semiconduttore rimane sconveniente. Fino a un paio di anni fa la Wolfspeed produceva anche transistor GaN per RF e microonde su substrato SiC, oggi invece quella linea di prodotti è stata ceduta alla Macom, una multinazionale storica che da oltre 70 anni produce componenti hi-tech per microonde e per onde millimetriche. Oltre alla Macom oggi nel mondo la tecnologia GaN è stata sviluppata anche in Europa dalla Ampleon, in Cina dalla Watech, in Giappone dalla Sumitomo Electric e negli USA anche da Guerrilla, una delle aziende emergenti dotata di una vasto portfolio di prodotti per RF e microonde.
Per maggiori informazioni tecniche su tale argomento aggiungo una piccola presentazione che preparai 5 anni fa e che è valida ancora oggi; potete leggerla o scaricarvela liberamente cliccando QUI, buona lettura.