El nitruro de galio (GaN) ha hecho grandes avances desde la idea hasta el producto comercializado durante la última década. Si bien los productos de GaN aún carecen de la cadena de suministro y las capacidades de fabricación de los productos de silicio, hay muchos en la industria que buscan desarrollar aún más la infraestructura de GaN.

Esta semana, Rohm Semiconductor anunció que, en asociación con Ancora Semiconductors, dos de sus productos GaN están destinados a la producción en masa. En este artículo, compararemos las tecnologías actuales de GaN y silicio y analizaremos los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) de 650 V GaN de Rohm.

HEMT de 650 V GaN de Rohm. Imagen cortesía de Rohm

GaN versus silicio: voltaje de ruptura

Debido a las propiedades únicas del material, los transistores basados ​​en GaN ofrecen una serie de ventajas clave sobre los transistores basados ​​en silicio.

Una de esas ventajas clave es que los FET de GaN tienen un voltaje de ruptura mucho mayor que los FET de silicio. En un semiconductor, la banda prohibida de un material define la diferencia de energía entre el nivel de energía más alto en la banda de valencia y el nivel de energía más bajo en la banda de conductancia. En otras palabras, la banda prohibida determina la cantidad de energía requerida para excitar un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción.

Banda prohibida de semiconductores. Imagen cortesía de Educación Energética

GaN tiene una banda prohibida mucho más amplia (3,2 eV) que la del silicio (1,1 eV). El resultado práctico de esta diferencia es que se requiere mucha más energía para excitar un electrón en un sustrato de GaN que en un sustrato de silicio. En términos de transistores, esto significa que GaN puede ofrecer voltajes de ruptura significativamente más altos (en otras palabras, la cantidad de voltaje que puede soportar antes de fallar) que el silicio.

Por esta razón, GaN se ha vuelto extremadamente popular en la electrónica de potencia, donde se requieren altos voltajes. De hecho, GaN tiene un rango de ruptura de 3,3 MV/cm, mientras que el silicio tiene un rango de ruptura de 0,3 MV/cm, que es una diferencia de 10 veces.

GaN versus silicio: eficiencia

Además del voltaje de ruptura, GaN también tiene la ventaja de la eficiencia energética sobre el silicio.

GaN tiene una movilidad de electrones mucho mayor que el silicio, lo que significa que los electrones pueden conducirse más libremente a través de GaN que el silicio. En el contexto de un transistor, esto significa que los FET de GaN tienen un R más bajo_{SD (activo)} de un transistor de silicio. Esto se traduce directamente en I inferior²* Pérdidas R mientras el FET está conduciendo, lo que hace que los FET de GaN sean más eficientes energéticamente mientras conduce.

Pérdida de conmutación y pérdida de conducción en un transistor. Imagen cortesía de Haque y coautores

Además, los transistores de GaN tienen mejores características de conmutación que sus contrapartes de silicio. En particular, la mayor movilidad de electrones y la capacitancia parásita reducida de los FET de GaN permiten frecuencias de conmutación más rápidas. Con frecuencias de conmutación más rápidas, el transistor pasará menos tiempo en la región lineal, que es donde ocurren la mayoría de las pérdidas de conmutación.

La eficiencia de los FET de GaN los hace útiles en la electrónica de potencia, donde las pérdidas son potencialmente altas y la gestión térmica es un tema clave.

Escala Rohm 650V GaN HEMT

Esta semana, Rohm anunció que dos de sus ofertas GaN HEMT han alcanzado la producción en masa. El GNP1070TC-Z y el GNP1150TCA-Z son ofertas similares, y ambos ofrecen voltajes de ruptura de 650 V y se enfocan en aplicaciones de energía.

Corriente de drenaje GNP1070TC-Z versus V_ds. Imagen cortesía de Rohm

Junto con un 650 VV_Dssel GNP1070TC-Z ofrece un R típico_{SD (activo)} de 70 mΩ, una carga de puerta de 5,2 nC y una corriente de drenaje continua máxima de 20 A. El GNP1150TCA-Z, por otro lado, tiene un R_{SD (activo)} de 150 mΩ, una carga de puerta de 2,7 nC y una corriente de drenaje continua máxima de 11 A.

Esta noticia llega inmediatamente después del reciente anuncio de Rohm de que sus HEMT GaN de 150 V también alcanzarán la producción en masa en marzo de este año.