DispSemic - UNIDADE 11 - Dispositivos Emergentes

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Dispositivos Eletrônicos
Semicondutores
UNIDADE 9
Dispositivos Eletrônicos Semicondutores 
Emergentes
Professor: Vitor Cristiano Bender, Dr. Eng.
bender.vitor@gmail.com
Universidade Federal do Pampa
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
http://www.electronicsurplus.com/media/catalog/product/cache/1/image/65f0867e01db0c63575926b38443f6fa/3/9/39268-1.JPG
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7054027
Dispositivos Eletrônicos Semicondutores – UNIDADE 9 – Dispositivos Eletrônicos Semicondutores Emergentes
Aula de Hoje
• Introdução
• Novos Materiais
• Novas Tecnologias
• Tendências Futuras
Prof. Vitor C. Bender
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Dispositivos Eletrônicos Semicondutores – UNIDADE 9 – Dispositivos Eletrônicos Semicondutores Emergentes
Introdução
• Semicondutores construídos a partir de Silício (Silicon – Si) já estão 
consolidados na indústria de dispositivos eletrônicos semicondutores 
de potência.
• Tais dispositivos atingiram um limite onde existem poucos recursos 
tecnológicos que permitem um aumento significativo da eficiência.
• Em função disto, nos últimos anos, pesquisas têm ocorrido com 
objetivo de utilizar novas tecnologias/materiais para aumentar a 
capacidade de tensão e corrente de tais dispositivos.
• Estes avanços resultaram no surgimento de novos dispositivos 
eletrônicos baseados nos materiais semicondutores de amplo bandgap. 
• Entre eles destacam-se o Carbeto de Silício (Silicon Carbide – SiC), o 
Nitreto de Gálio (Gallium-Nitride – GaN) e o Arseneto de Gálio 
(Gallium-Arsenide – GaAS).
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Introdução
• O uso de tais dispositivos provavelmente proporcionará melhorias 
significativas de desempenho para conversores e sistemas aplicados à 
Eletrônica de Potência, no que diz respeito a:
▫ bloqueio de tensões elevadas;
▫ operação em frequências mais elevadas de 
comutação;
▫ menores perdas de condução e de comutação;
▫ otimização de estratégias empregadas na 
dissipação de calor;
▫ maior eficiência e viabilidade. 
Prof. Vitor C. Bender
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https://static.electronicsweekly.com/news/wp-content/uploads/sites/16/2015/07/22jul15-Leti-GaN-market.jpg
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Introdução
• A Figura apresenta a 
evolução dos 
semicondutores de 
potência e as faixas 
de tensão e corrente 
em que são 
atualmente 
encontrados.
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Fonte: Duarte, 2017
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Características dos materiais semicondutores
• A qualidade e as características de um elemento semicondutor são 
determinadas pelas características do material utilizado em sua 
fabricação. A Tabela sumariza algumas propriedades do Si, SiC e 
GaN. 
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Fonte: Duarte, 2017
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Características dos materiais semicondutores
• Materiais semicondutores de amplo bandgap possuem características 
elétricas (propriedades físicas) superiores quando comparados com o Si, 
sendo algumas destas características apresentadas na Tabela.
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Fonte: Mohan, 2003
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Tensão de Ruptura do Semicondutor
• Dentre todos os semicondutores apresentados na 
tabela, o diamante possui o mais amplo bandgap; 
consequentemente possui campo elétrico de 
ruptura mais elevado do que os demais. 
• SiC e o GaN possuem bandgap e campo elétrico 
com valores similares e bem mais elevados do 
que os semicondutores Si e GaAs.
• Semicondutores com maior bandgap podem 
operar com temperaturas mais elevadas; 
portanto, dispositivos de potência de diamante 
tem a capacidade de operar em temperaturas 
ambiente mais elevadas do que os outros 
materiais.
▫ Exemplo: 
 Si até 150ºC
 SiC até 400ºC
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Fonte: Soares, 2010
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Tensão de Ruptura do Semicondutor
• Um campo elétrico de ruptura mais elevado resulta 
em dispositivos de potência com tensões de ruptura 
mais elevadas. Como exemplo, a tensão de ruptura 
de um diodo é expressa pela equação (1):
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Fonte: Soares, 2010Ec: campo elétrico
(1)
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Tensão de Ruptura do Semicondutor
• Usando a equação, as tensões de ruptura de diodos construídos de materiais 
listados na Tabela são calculadas assumindo a mesma densidade de dopagem, 
sendo os resultados (valores teóricos), normalizados para a tensão de ruptura 
de um diodo de silício, mostrados na Figura.
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• De acordo com estes resultados, a tensão de 
ruptura de um diodo de diamante é 514 
vezes maior do que a de um diodo de Si. 
• Analogamente, para 6H-SiC, 4H-SiC e GaN a 
tensão de ruptura é respectivamente 56, 46 
e 34 vezes maior do que a tensão de ruptura 
de um diodo de Si. 
Fonte: Soares, 2010
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Largura da Região de Dopagem
• Como consequência de um campo elétrico de ruptura elevado e 
maior densidade de dopagem é a redução da largura (espessura) 
da região drift (WD),calculada pela equação (2):
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• Como exemplo, a largura da região drift é 
calculada para todos os semicondutores listados 
na Tabela e os resultados são plotados na Figura 
para tensão de ruptura variando de 100 V a 10 kV. 
• O diamante, conforme esperado requer uma 
largura WD mínima, enquanto que o GaN e os 
polítipos 6H-SiC e 4H-SiC de carbeto de silício 
resultam larguras maiores, entretanto, ainda em 
torno de dez vezes menores do que a espessura 
da região drift do semicondutor de silício.
Fonte: Soares, 2010
(2)
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Resistência de Condução
• Conforme Tabela, a mobilidade de elétrons (μn) é muito maior do que a 
mobilidade de lacunas (μp) em todos os semicondutores analisados. 
• Apesar da mobilidade de elétrons diminuir com o aumento da dopagem (ND) 
e/ou da temperatura, em se tratando de semicondutores com amplo bandgap, é 
possível aumentar a densidade de dopagem e/ou trabalhar com temperaturas 
mais elevadas sem reduzir consideravelmente a tensão de ruptura (VB), vide Eq. 
(1) devido o campo elétrico de ruptura (Ec) ser bem mais elevado do que para 
os semicondutores de silício.
• Isto favorece a construção de dispositivos unipolares usando preferencialmente 
região drift do tipo N-, tendo em vista a redução da resistência em condução 
(Ron) da região drift, a qual é calculada através das equações (3) e (4): 
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Fonte: Soares, 2010
(3) (4)
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Resistência de Condução
• O denominador de (4) é uma das figuras de mérito 
para análise do desempenho de dispositivos 
semicondutores comumente conhecida como BFM 
(Baliga’s Figure of Merit for Power Devices), que 
sinaliza o impacto das propriedades do material 
semicondutor na resistência da região drift. 
• Os resultados calculados para a resistência em 
condução, utilizando (4), são mostrados na Figura 
como função da variação da tensão de ruptura do 
dispositivo.
• O diamante apresenta melhor desempenho seguido 
pelos demais semicondutores 6H-SiC, 4H-SiC e GaN
que possuem resistências em condução com valores 
maiores do que o diamante.
• Observa-se que a resistência de contato e/ou 
resistência do canal deve também ser considerada 
no cálculo da resistênciaem condução. 
• No entanto, a resistência em condução da região 
drift para o silício é em torno de dez vezes maior do 
a resistência em condução dos polítipos SiC e do 
GaN. 
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Fonte: Soares, 2010
(4)
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Estabilidade Térmica
• Semicondutores com amplo bandgap possibilitam a operação do dispositivo em 
temperaturas elevadas devido o seu maior campo elétrico de ruptura (Ec). 
• Outra vantagem que é a condutividade térmica (λ) elevada. Quanto maior for 
esta propriedade, melhor será a condução de calor para o ambiente, o que 
significa que a temperatura do dispositivo aumenta mais lentamente. 
• Menores investimentos em estratégias empregadas na dissipação de calor são 
necessários, reduzindo complexidade, peso, volume e possivelmente os 
custos.
• O diamante supera todos os demais semicondutores constantes na Tabela 1, 
quanto à condutividade térmica, sendo cinco vezes maior do que os polítipos 
SiC.
• O GaN tem condutividade térmica pior do que a do Si, porém ainda maior do 
que a condutividade térmica do GaAs. 
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Fonte: Soares, 2010
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Frequência de Comutação e Recuperação Reversa
• A capacidade de um dispositivo semicondutor operar
em frequências elevadas é diretamente proporcional à
velocidade recombinação de elétrons e lacunas na 
região de menor dopagem (drift). 
• Tal propriedade, denominada “velocidade de saturação do elétron” (Vsat), é 
apresentada na Tabela. 
• Com exceção do GaAs, a velocidade recombinação de cargas dos semicondutores de 
amplo Bandgap é no mínimo duas vezes maior do que ocorre no silício. 
• Esta propriedade associada com a redução de área nos semicondutores de amplo 
bandgap, devido à maior dopagem, reduz a capacitância parasita (intrínseca de 
junção) desses dispositivos; portanto, é esperado que dispositivos de maior energia de 
bandgap possam comutar em frequências mais elevadas do que o dispositivo de Si. 
• Além disso, a velocidade elevada de saturação do elétron possibilita a remoção rápida 
de cargas na região de depleção de diodos. 
• Com isso, a corrente de recuperação reversa é menor e o tempo de recuperação 
reversa também é menor do que para um diodo Si. 
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Fonte: Soares, 2010
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Figuras Mérito para Semicondutores de Amplo Bandgap
• Objetivando melhor comparação e análise do desempenho possível destes 
materiais em eletrônica de potência, duas figuras de mérito comumente 
conhecidas são listadas na Tabela. 
• Nesta tabela os valores foram normalizados com relação ao Si, sendo que o 
maior valor encontrado corresponde ao material que possui melhor 
desempenho. 
▫ A figura de mérito de Baliga, BFM é uma medição da resistência específica em 
condução da região drift no semicondutor. 
▫ A figura de mérito de Johnson, JFM (Johnson’s Figure of Merit for Power Devices), 
é uma medição da freqüência de comutação mais elevada que o dispositivo 
semicondutor suportar, conforme equação (5).
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Fonte: Soares, 2010
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Figuras Mérito para Semicondutores de Amplo Bandgap
• Os valores da figura de mérito para o diamante são pelo menos 90 vezes maior 
do que os demais semicondutores relacionados na Tabela. 
• Os polítipos SiC e o GaN possuem figuras de méritos similares, o que implica 
em desempenhos também similares. 
• O desempenho dos semicondutores Si e GaAs é o pior entre os materiais 
listados e o diamante possui as melhores características elétricas. 
• A maioria das pesquisas sobre o desenvolvimento de novos dispositivos de 
potência estão direcionadas para o carbeto de silício (SiC). 
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Fonte: Soares, 2010
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• O carbeto de silício (SiC) é a tecnologia mais desenvolvida entre os demais 
semicondutores de amplo bandgap, e tem avançado fortemente a partir do 
ano de 1987 com a fundação da CREE, a qual é a maior supridora de pastilhas 
SiC. 
• Alguns problemas existentes no processo de fabricação do semicondutor não 
têm impedido a comercialização dos primeiros dispositivos de potência SiC, 
tais como os diodos Schottky com capacidade de bloqueio de tensão (1200 V) 
três vezes maior do que os diodos de silício (300 V).
• Paralelamente a estes dispositivos comerciais, muitos outros dispositivos de 
potência SiC na ordem de kV com resistências em condução reduzidas estão 
sendo pesquisados utilizando os polítipos 4H-SiC e 6H-SiC, tais como, diodos 
de junção PN, diodos Schottky, IGBTs, Tiristores, Transistores Bipolar de 
Junção (BJTs), vários MOSFETs, GTOs, MCTs e MTOs. Entretanto, com exceção 
de alguns diodos, os dispositivos reportados são todos dispositivos 
experimentais com patamares reduzidos de corrente. 
Carbeto de Silício (SiC)
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Fonte: Soares, 2010
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• O uso de dispositivos SiC ao invés de Si resultam benefícios importantes para 
sistemas que aplicam a Eletrônica de Potência, como, redução de perdas, 
aumento da eficiência, e redução de tamanho e volume. 
• Quando dispositivos de potência de Si são substituídos por dispositivos SiC, a 
eficiência de drives de tração em veículo elétrico híbrido aumenta em torno 
10% e os sistemas de dissipação de calor reduzem até um terço do seu 
tamanho original. 
• Portanto, um sistema de alimentação CC é considerado onde também ocorre o 
aumento da eficiência, redução das perdas, tamanho e volume de dissipadores 
de calor, e o aumento da frequência de comutação. 
• Os resultados mostraram que aumentando-se a frequência de comutação, o 
tamanho dos componentes passivos, incluindo transformadores e componentes 
de filtro, decrescem proporcionalmente. 
Carbeto de Silício (SiC)
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Fonte: Soares, 2010
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• As aplicações de dispositivos GaN são principalmente focadas nas áreas de 
optoeletrônica, devido o seu bandgap direto, e rádio freqüência pelo bom 
desempenho em freqüências elevadas. 
• O material GaN também é promissor em aplicações de Eletrônica de Potência para 
cargas elevadas. Nos anos recentes, alguns trabalhos têm sido publicados na 
literatura aplicando diodos Schottky GaN para tensões elevadas. 
• A comparação de diodos Schottky com diodos Schottky SiC e diodos de Si junção PN, 
considerando a mesma tensão de bloqueio, mostra vantagens similares de 
desempenho aos diodos Schottky GaN e SiC, quando comparados com o diodo Si 
junção PN, como por exemplo, corrente de recuperação reversa desprezível e 
consequentemente perdas de comutação bastante reduzidas a qual independe da 
temperatura de operação. 
• Na análise da velocidade de comutação e perdas de um diodo Schottky tem sido 
verificado que o desempenho do GaN é levemente superior ao do semicondutor SiC, 
considerando dispositivos e condições similares durante a avaliação experimental. 
• Em contrapartida, devido o maior bandgap do material GaN, a queda de tensão em 
condução dos diodos Schottky GaN é muito maior do que para os diodos Schottky SiC
e diodos Si de junção PN. 
Nitreto de Gálio (GaN)
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Fonte: Soares, 2010
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• Na literatura existem trabalhos mostrando aplicações com diodos Schottky 
GaN para até 2,0 kV e 6,0 kV.
• O GaN possui adesvantagem de não possuir um óxido nativo intrínseco do 
próprio material semicondutor, o qual é necessário para concepção de 
dispositivos MOS. 
• O SiC e Si, utilizam o mesmo óxido SiO2 do próprio material semicondutor. 
• Para o GaN, há muitas pesquisas em andamento com o objetivo de encontrar o 
óxido adequado; sem ele, dispositivos MOS baseados no GaN não poderão ser 
desenvolvidos. 
• Uma desvantagem adicional do GaN comparado ao SiC é sua condutividade 
térmica, que representa em torno um quarto da condutividade térmica do SiC.
Nitreto de Gálio (GaN)
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Fonte: Soares, 2010
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• O diamante demonstra melhor desempenho teórico, sendo um material muitas 
vezes melhor do que toda a categoria de semicondutores de amplo bandgap
comparada anteriormente. 
• Entretanto, seus problemas de processamento ainda não foram solucionados. 
Após vários anos de pesquisa, o semicondutor SiC ainda tem questões de 
processamento devido as temperaturas elevadas requeridas no processo 
construtivo do dispositivo. 
• No entanto, o diamante é um material muito mais rígido e necessita de 
temperaturas muito mais elevadas durante o seu processo construtivo. 
• Além disso, não têm sido realizadas muitas pesquisas nesta área. Na 
literatura, o diamante é usado em sensores e dispositivos de emissão de 
campo. Não existem ainda dispositivos semicondutores de potência 
disponíveis, usando o diamante. 
Diamante 
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Fonte: Soares, 2010
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• Comparativo normalizado das características dos materiais semicondutores 
selecionados. Cada intervalo na escala corresponde a um acréscimo de 10% no 
valor do parâmetro. 
Comparativo
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Fonte: Duarte, 2017
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• Limites teóricos do Si, SiC e GaN
Comparativo
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Fonte: Duarte, 2017
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• Comparativo entre interruptores de potência 
Comparativo
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Fonte: Duarte, 2017
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• Com maior desenvolvimento, semicondutores de amplo bandgap têm a oportunidade 
de atender exigências de qualidade em diversas aplicações de engenharia elétrica. 
• Apesar do diamante ter as melhores propriedades elétricas, pesquisas visando sua 
aplicação em potências elevadas se encontram ainda em estágio preliminar. Seus 
problemas de processamento são mais difíceis de serem solucionados do que de 
outros materiais; portanto, provavelmente será um importante material a ser 
utilizado no desenvolvimento de dispositivos de potência no futuro, daqui 20 ou até 
50 anos. 
• Enquanto isso, há a necessidade de um material semicondutor de transição. Os 
dispositivos de potência GaN e o SiC apresentam vantagens similares em relação aos 
dispositivos convencionais de potência de Si. Porém, a viabilidade do GaN é bem 
menor do que ao do SiC, devido a ausência de óxido intrínseco no material GaN e a 
necessidade de se utilizar pastilhas maiores para compensar sua menor condutividade 
térmica.
• A tecnologia de dispositivos de potência SiC se encontra muito mais avançada do que 
a GaN e lidera em pesquisas e esforços de comercialização. Portanto, é atualmente o 
material semicondutor de transição mais adequando para dispositivos de potência do 
futuro.
Expectativas para o Futuro 
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Fonte: Soares, 2010
Dispositivos Eletrônicos Semicondutores – UNIDADE 9 – Dispositivos Eletrônicos Semicondutores Emergentes
Bibliografia
• DUARTE, R. R.; Estudo Comparativo Entre Semicondutores De 
Silício e Nitreto De Gálio Em Circuitos De Acionamento de LEDs; 
Dissertação de Mestrado, UFSM, 2017.
• SOARES, J. O., et al.; Dispositivos semicondutores de potência 
com amplo bandgap; Congresso Brasileiro de Automática, 2010.
• MOHAN, N.; UNDELAND, T. M.; ROBBINS, W. P.; Power 
Electronics: Converters, Applications, and Design; John Wiley & 
Sons, Inc.; 3ª ed. Estados Unidos, 2003
Prof. Vitor C. Bender
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