Tehoelektroniikan suunnittelijat ja komponenttien myyjät ovat innostuneet laajan kaistaeron puolijohdetekniikoista, kuten SiC ja GaN, mutta nämä eivät ole uusia teknologioita. GaN on peräisin 50 vuoden takaa ja piikarbidin käytettiin elektroniikassa jo yli 100 vuotta sitten. Mistä innostus sitten johtuu. Tämä artikkeli selittää teorian laajakaistaisten materiaalien etujen takana, käytetyt valmistustekniikat ja sen, miksi ne sopivat erityisen hyvin ratkaisemaan elektroniikkasuunnittelijoiden nykyisiä haasteita.

Ennakoiva kunnossapito lisää toiminnan tehokkuutta ja vähentää kustannuksia teollisuuden IoT-sovelluksissa. Jäykistä huoltoaikatauluista päästään joustavaan ylläpitoon hyödyntämällä tekoälypohjaisia anturiratkaisuja. Tähän tarkoitukseen on jo tarjolla tehokkaita AI-työkaluja sekä koneiden suunnittelijoille että niiden loppukäyttäjille.

Artikkelin kirjoittaja Cliff Ortmeyer vastaa Premier Farnellin ratkaisujen kehittämisestä. Ortmeyer tuli Farnellin palvelukseen vuonna 2011. Sitä ennen hän työskenteli STMicroelectronicsilla liiketoiminnan kehityksessä yli 13 vuotta. Ortmeyerillä on elektroniikkainsinöörin tutkinto Iowa State Universitystä.

Transistorin kehittämisen jälkeen kesti vain vuosikymmenen ennen kuin elektroniikkateollisuus päätyi piihin ensisijaisena puolijohteiden substraattina. Vaikka piin ominaisuudet eivät ole ihanteellisia kaikkiin sovelluksiin, sen helppo saatavuus, helppo käsittely ja suorituskyky olivat riittävän helposti tehneet siitä perustan teollisuudelle, jonka vuosittainen myynti on nyt lähes puoli biljoonaa dollaria.

Vuosikymmenten aikana teollisuus on oppinut paljon piin kideominaisuuksista, joita on käytetty pitämään Mooren laki raiteilla. Esimerkiksi jännittämisestä tuli tärkeä osa transistorien kehitystä lähes 20 vuotta sitten. Siinä käytetään materiaalikerroksia paikallisesti vääristämään piikidehiloja tarkoituksena parantaa näiden kanavien läpi kulkevien sähköisten kantajien liikkuvuutta. Tämäntyyppinen kidetekniikka on auttanut teollisuutta tuomaan uudelleen käyttöön ei-pii- ja yhdistepuolijohteet, joita pidettiin liian vaikeina, kalliina tai hauraina käyttää huolimatta niiden paremmista sähköisistä ominaisuuksista.

Prosessit ja materiaalit ovat avainasemassa

Esimerkiksi galliumnitridiä (GaN) tutkittiin puolijohteiden materiaalina puoli vuosisataa sitten, mutta sillä valmistetut piirit vaativat ennen kalliiden ja hauraiden safiirialustojen käyttöä. Nykyään GaN-kalvoja voidaan kasvattaa luotettavasti ja ilman vikoja piikiekon pinnalla. Tämä on avannut oven kasvavalle valikoimalle korkean suorituskyvyn piirejä. Samoin valmistusprosessien parannukset ovat tehneet piiyhdisteistä, kuten piikarbidista (SiC) - joka on muuten melkein yhtä kovaa kuin timantti - käytännöllisiä valmistaa suurina volyymeinä.

Sekä GaN että SiC ovat puolijohteita, joissa valenssi- ja johtavuuskaistojen väli on kolme kertaa leveämpi kuin tavanomaisissa piisiruissa. Tämä ja muut näiden puolijohteiden ominaisuudet tekevät niistä erittäin sopivia suurtehokomponentteihin. Materiaalien kriittiset kenttäarvot ovat kymmenen kertaa korkeammat kuin tyypillisissä piikomponenteissa. Tuloksena on suurempi läpilyöntijännite, jota voidaan käyttää teholähteissä ja muissa piireissä käytettävien transistorien koon ja kustannusten pienentämiseen, joissa pitää ohjata korkeaa jännite- ja virtatasoa.

Korkean kriittisen kentän ja läpilyöntijännitteen ansiosta pystydiodin tai -transistorin drift- eli ajautumisvyöhyke voidaan tehdä paljon ohuemmaksi käyttämällä piikarbidia kuin piisirulla. Tämä ei johda vain päällekytkentäresistanssin pienenemiseen, mikä johtaa huomattavasti pienempiin tehohäviöihin, kun laite siirtää virtaa, vaan myös lyhyempään palautumisaikaan, koska esimerkiksi diodia käytettäessä on vähemmän tyhjennettäviä kantoaaltoja. Esimerkiksi WeEn Semiconductorsin valmistaman WNSC021200:n kaltaisen laitteen palautusvaraus on vain 10 nanocoulumbia, mikä on paljon pienempi kuin tyypillisillä PiN-diodeilla.

Koko ja liikkuvuus sovelluskehityksen avaimia

Transistorin pienempi koko puolestaan johtaa parasiittisten ilmiöiden, kuten hilan ja lähtökapasitanssin, vähenemiseen. Vaikutusten yhdistelmä johtaa korkeampiin taajuuksiin hakkuriteholähteissä ja vastaavissa piireissä. Esimerkiksi GaN-laitteet voivat tukea reilusti yli 1 megahertsin kytkentätaajuuksia. Näillä taajuuksilla on mahdollista käyttää myös pienempiä passiivisia komponentteja, joita yleensä käytetään kytkentätransienttien tasoittamiseen. Tuloksena on pienempi ja tehokkaampi virtalähde.

Power Integrationsin kaltaiset toimittajat ovat hyödyntäneet GaN:n ominaisuuksia rakentaessaan integroituja virtalähteen kytkinpiirejä. Esimerkiksi INN3276C-H204 on offline-flyback-kytkin, jossa on integroitu ensiöpuolen kytkin, joka sopii jatkuvan tehon akunlataussovelluksiin. Piiri tukee 35 W:n lähtötehoa. Muut yrityksen PowiGaN-perheen tuotteet voivat tukea jopa 100 watin tehoa ilman jäähdytyselementtiä.

Toinen GaN:n ominaisuus on sen luonnostaan suurempi varauksenkantajien liikkuvuus, joka on lähes 40 prosenttia suurempi kuin piin. Suuri liikkuvuus johtuu tavasta, jolla kaksiulotteinen elektronikaasu muodostuu komponenttien materiaalien rajapinnoille. Tämä on ominaista suuren elektronien liikkuvuuden transistoreille (HEMT) ja löytyy muista materiaaleista, kuten galliumarsenidista (GaAs). Tämä korkean liikkuvuuden ominaisuus on johtanut GaN-piirien käyttöön esimerkiksi tukiasemissa sekä tieteellisissä instrumenteissä. Nexperian piirit on suunniteltu nimenomaan tälle markkina-alueelle.

Mobiiliverkkojen RF-sovellusten lisäksi RF-suunnittelun ja virransyötön välissä on kasvava langattoman latauksen markkina. Esimerkiksi AirFuel-standardi vaatii 6,78 MHz:n lähetystaajuutta. Infineon Technologiesin CoolGaN-tehotransistorien kaltaiset piirit sopivat erittäin hyvin näissä sovelluksissa käytettyihin D- ja E-luokan vahvistintopologioihin.

Piikarbidin eli SiC:n kyky tukea piitä korkeampia kytkentätaajuuksia on johtanut siihen, että sitä käytetään korkeajännitteisissä lääketieteellisissä laitteissa kuten röntgenlaitteissa muiden tehonkäsittelysovellusten ohella. Lähes välitöntä kytkentää, jota tukevat ROHM:n SCT3-perheeseen kuuluvat SiC MOSFETit, täydentää xR-sarjassa modifioidun TO-247-kotelon nelinastainen konfiguraatio. Tätä käytetään komponenteissa, kuten SCT3060ARC14, joka on 39 ampeerin ja 650 voltin MOSFET, joka vähentää kytkentähäviöitä jopa 35 prosenttia verrattuna perinteisiin kolminastaisiin koteloihin. Hilaohjaimest erillisen lähdeohjainliitännän käyttö auttaa minimoimaan parasiittisen induktanssin, jota voidaan käyttää lisäämään piirin kytkentänopeutta.

Toinen näiden laajan kaistaeron puolijohteiden keskeinen etu on niiden kyky toimia kuumana, mikä kasvattaa koko- ja kustannusetua. Esimerkiksi transistorit eivät tarvitse suuria jäähdytyselementtejä lämmön haihduttamiseen, mitä pii-MOSFETit vaativat välttääkseen suuremmasta kytkentäresistanssista johtuvat häviöt korkeissa lämpötiloissa. SiC menee GaN-komponentteja pidemmälle tarjoamalla mahdollisuuden toimia olosuhteissa, joihin pii ei pysty. Tämä on tehnyt piikarbidista yhä suositumman valinnan auto-, sotilas- ja poraussovellusten piireissä. Ne voidaan asentaa lähelle moottorikammiota, jarrujen tai porapäiden viereen, ja ovat edelleen toimivia, vaikka lämpötila nousee 200 asteeseen. Näiden korkeampien lämpötilojen tukemiseksi nämä laitteet toimitetaan usein pelkkinä siruina integroitaviksi erityisiin korkean lämpötilan koteloihin. Kuitenkin monet yleisesti saatavilla olevista pakkauksista, kuten DPAK tai TO-247, joita valmistavat Genesic Semiconductor, Littelfuse, OnSemi ja muut, toimivat 175 °C:n liitoslämpötiloissa.

GaN- ja SiC-teknologioiden parhaat toteutukset

Laajan kaistaeron puolijohdemateriaalien mahdollistamat korkeat kytkentätaajuudet antavat suunnittelijoille mahdollisuuden hyödyntää uusia ohjausjärjestelmiä, kuten matriisimuunnos. Tämä käyttää avaruusvektorimodulaatiolaskelmia korkean suorituskyvyn AC-moottorinohjaukseen arkkitehtuurissa, jota voidaan käyttää useammissa tehonsyöttöjärjestelmissä vaihtoehtona tavanomaisempien topologioiden kytkentänopeuden lisäämiselle. Hilaohjainten suorituskyky on yhtä tärkeä kaikissa näissä nopeasti kytkevissa piiriarkkitehtuureissa. CoolGaN-sarjan tehokomponenttien ja CoolSiC-transistoreiden ja -diodien valmistuksen lisäksi Infineon on investoinut teknologioihin kuten EiceDriver. EiceDriver on porttiohjain, joka käyttää korkeatasoista yhteismuotoista (common-mode) hylkäämistä mahdollistaakseen eristämättömien topologioiden käytön monissa sovelluksissa. Tämä pienentää komponenttikustannuksia.

Älykkään ohjauksen tarve edistää pitkälle integroitujen tehokomponenttien kehitystä, joissa yhdistetään mikro-ohjaimet ja tehotransistorit SiP eli System-in-Package -koteloinnilla. STMicroelectronicsin STi2GaN-hankkeessa BCD:llä toteutetut GaN-tehoasteet, ohjauslogiikka sekä ohjain- ja eristyspiirit yhdistetään samalle SIP:lle. Näiden piirielementtien tiivis kytkentä auttaa työntämään virtalähdesuunnitteluja pidemmälle megahertsialueelle sekä vähentämään korttialaa, mikä on tulossa tärkeäksi ominaisuudeksi sähköautosuunnitteluissa, joissa monia elementtejä on koottava rinnakkain, sekä kuluttajalaitteiden akkulatureissa.

Kun alan ymmärrys laajan kaistaeron materiaaleista paranee, integrointi piipiirien kanssa vauhdittaa monia sovelluksia. On helppo ymmärtää, miksi ne syrjäyttävät monilla alueilla perinteisempiä piikomponentteja. Kokenut tekninen jakelija kuten Farnell voi opastaa insinöörejä siitä, missä GaN-, SiC- ja vastaavia teknologioita voidaan käyttää parhaalla mahdollisella tavalla ja miten laitevalmistajien etenemissuunnitelmat kehittyvät, jotta tekniikoita voidaan hyödyntää uusissa sovelluksissa.