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El carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) han tenido un éxito creciente en el mercado de dispositivos semiconductores en los últimos años. GaN ahora se está utilizando en cargadores y sistemas de carga para dispositivos móviles. Empresas como Apple, Samsung y Xiaomi han adoptado cargadores basados en GaN que ofrecen densidades de alta potencia mientras mantienen o incluso reducen el peso de estos componentes. Estos cargadores utilizan chips de transistor GaN de alta movilidad de electrones (HEMT) que ofrecen empresas como GaN Systems y Navitas Semiconductor.
Por otro lado, los componentes de SiC se utilizan principalmente en el campo de la electromovilidad. En 2017, los fabricantes de vehículos eléctricos como Tesla decidieron adoptar controladores de motor basados en SiC, lo que aumentó la eficiencia de sus sistemas. Esto ha desencadenado una carrera para desarrollar dispositivos de SiC de gran volumen para adaptarse al creciente número de vehículos eléctricos que se están introduciendo en el mercado.
Su popularidad plantea la pregunta: ¿qué tienen de especial estos nuevos materiales semiconductores y por qué se consideran alternativas al silicio?
Como explicó Victor Veliadis en su seminario web de PSMA «Estado de la tecnología de energía de SiC y barreras a superar» el 28 de julio de 2022, «los materiales de SiC y GaN tienen un campo eléctrico crítico que es aproximadamente 10 veces mayor que el del silicio, con una banda prohibida que es 3 veces mayor. En un sistema de semiconductores, la capa de deriva es lo que mantiene su voltaje nominal, por lo que el grosor y el nivel de dopaje de esta capa determinan la capacidad de voltaje del dispositivo”.
Para un voltaje nominal dado, el espesor de la capa de deriva es inversamente proporcional al campo eléctrico crítico. Esto implica que los dispositivos de GaN y SiC con una capacidad de voltaje dada tendrán capas de deriva 10 veces más delgadas que los dispositivos de silicio. Estos factores impulsan los cambios de diseño y tienen un gran impacto en el diseño de semiconductores.
Debido a sus capas de deriva más delgadas, los dispositivos de SiC son más pequeños, lo que reduce su capacitancia. Por lo tanto, estos dispositivos pueden cambiar de manera eficiente a frecuencias mucho más altas de lo que es posible con el silicio. La mayor frecuencia de conmutación también reduce el tamaño de los componentes pasivos y magnéticos, como los inductores. Esto da como resultado una reducción significativa en el tamaño total del sistema, aumentando su densidad de potencia. Además, la amplia banda prohibida de SiC y la alta conductividad térmica permiten el funcionamiento a alta temperatura con una gestión de refrigeración simplificada, lo que reduce aún más el peso y el volumen del sistema.
Nada de esto quiere decir que SiC o GaN sean superiores, o que el silicio sea obsoleto. La elección del material semiconductor a utilizar depende de las especificaciones de la aplicación en la que se utilicen. El silicio sigue siendo un fuerte competidor en dispositivos clasificados de 15 V a 650 V, además de ser mucho más barato y confiable, mientras que GaN está ganando popularidad en aplicaciones de bajo consumo, como cargadores móviles y sistemas de carga similares. Como se mencionó anteriormente, GaN es la única alternativa viable de ancho de banda prohibida al silicio en aplicaciones de baja potencia, ya que la operación de SiC a voltajes por debajo de 650 V no es práctica.
![](https://www.eetimes.com/wp-content/uploads/Veliadis-PSMA-July-28-2022-fig1.jpg?w=640&is-pending-load=1#038;resize=640%2C360)
nitruro de galio y carburo de silicio
GaN permite una tecnología de corrección del factor de potencia (PFC) conocida como «topología PFC sin puente de tótem». Por otro lado, una solución de refuerzo de silicio tradicional tendría un puente de diodos donde dos de los diodos están siempre encendidos. Esto contribuiría a pérdidas significativas, pero GaN lo mitiga debido a su recuperación inversa prácticamente nula. Los dispositivos GaN de 100 V también se están utilizando en los centros de datos, ya que los racks de servidores se están moviendo cada vez más hacia los 48 V. Además, los dispositivos GaN de 650 V también se pueden usar y operar para circuitos PFC. SiC es adecuado para aplicaciones de mayor potencia que GaN y está disponible en voltajes de 650 V a 3,3 kV, y se están desarrollando dispositivos para voltajes más altos.
Stephen Russell, experto en la materia de dispositivos de energía en Tech Insights, dijo durante un seminario web de la compañía: «El nitruro de galio realmente ha encontrado su aplicación asesina, reemplazando los cargadores de silicona y USB-C para dispositivos móviles. 2021 [was] un punto de inflexión en la aceptación del mercado y esperamos que este impulso continúe. Sin embargo, la verdadera ventaja del nitruro de galio es su conmutación; es el único reemplazo viable de banda prohibida ancha para el silicio a voltajes por debajo de 600 V”.
Todos estos dispositivos compiten fuertemente con la capacidad de 650 V, lo cual es importante ya que estos dispositivos se utilizan en el bus de capacidad EV de 400 V.
Los vehículos eléctricos son una aplicación crucial para estos dispositivos de alta banda prohibida recientemente lanzados, ya que se espera que el mercado se expanda. Este cambio está ocurriendo debido a la rápida electrificación intersectorial y una mayor conciencia de las emisiones. Se pueden ver en controladores de motor, convertidores CC/CC, cargadores integrados, etc.
Se espera que SiC tenga una ventaja en el sector EV a medida que más fabricantes migran a sistemas EV de 800 V debido a su eficiente capacidad operativa de alto voltaje. La transición a sistemas de mayor voltaje permite una mayor potencia de salida para la misma corriente. Esto permite que los conductores de cobre y otros componentes sean más pequeños, más livianos y menos costosos.
Fabricantes como Porsche, Audi, BYD y Hyundai ya están trabajando en sistemas de baterías de 800 V, mientras que Lucid tiene un sistema de 900 V en desarrollo. Como dijo Veliadis, “Pasar a 800 V con la misma corriente duplica la potencia con menos pérdidas. Esto reduce los pesados cables de cobre, lo que da como resultado un peso más ligero y beneficios de ahorro de espacio”.
Después de una introducción exitosa en el campo de los vehículos eléctricos, la demanda de dispositivos de SiC aumentará aún más la fabricación. Esto eventualmente hará que los precios bajen de manera similar a los dispositivos basados en silicio posmasivos. La reducción de costes es un paso importante, ya que estos dispositivos son más caros que el silicio, y el material de SiC cuesta casi 2 o 3 veces más que el silicio.
Además del alto costo, la fabricación de SiC tiene sus propios desafíos, como: B. la presencia de defectos y tiempos de fabricación más lentos en comparación con el silicio, y los dispositivos de SiC son menos robustos. Esto desalienta a las personas a usar sistemas basados en SiC y es un desafío a superar. Debido a su potencial de alto voltaje, los dispositivos de SiC son excelentes candidatos para su uso en aplicaciones de energía como la transmisión HVDC y los sistemas de energía renovable. Por ejemplo, en el caso de aplicaciones fotovoltaicas, el coste de todo el sistema es menor debido al menor tamaño de los elementos pasivos, aunque el coste de los dispositivos de SiC es tres veces superior al de silicio.
A pesar de los desafíos que enfrentan, se pronostica que los dispositivos de banda prohibida amplia serán ampliamente adoptados en muchas industrias y mercados. Hoy en día, SiC y GaN son los únicos materiales semiconductores de banda prohibida ancha con dispositivos de potencia comercialmente disponibles para una variedad de aplicaciones. Dependiendo del rendimiento del dispositivo, estos materiales pueden encontrar aplicaciones en una variedad de industrias.
![](https://www.eetimes.com/wp-content/uploads/Veliadis-PSMA-July-28-2022-3-fig2.jpg?w=640&is-pending-load=1#038;resize=640%2C360)
También hay proyecciones de que se espera que el mercado de SiC tenga un valor de $ 6.5 mil millones para 2027. Los dispositivos GaN dominarán la industria de las aplicaciones móviles de bajo consumo y se espera que ingresen al mercado más dispositivos con densidades de energía superiores a 20 W/pulgada.3. Estos dispositivos están diseñados para ofrecer ganancias de eficiencia significativas y facilidad de uso.
Desafortunadamente, la fabricación de sustratos de SiC y crecimiento epitaxial de GaN en sustratos de silicio es más complicada y laboriosa que las obleas de silicio, y esto aumenta los costos. Además, el mercado de SiC y GaN es mucho más pequeño y está lejos de una división del trabajo estandarizada a gran escala, ya que las tecnologías de proceso clave están en manos de unas pocas empresas selectas. Para resolver tales problemas, es necesario producir en masa SiC y GaN, lo que genera ahorros de costos a través de economías de escala.
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