DISPOSITIVOS DE CARBONETO DE SILÍCIO NA ELETRÔNICA DE

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
DISPOSITIVOS DE CARBONETO DE SILÍCIO NA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA: UMA REVISÃO
DIEGO A. ACEVEDO BUENO1, EDISON R. CABRAL DA SILVA2
1
Mestrando no Programa de Pós-Graduacão em Engenharia Elétrica – PPgEE – COPELE – UFCG
Laboratório de Eletrônica Indusrial e Acionamento de Máquinas
2
Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Campina Grande e da Universidade
Federal da Paraíba, Paraíba, Brasil
Av. Aprígio Veloso, 882 – CEP 58429-970 – Caixa postal 10053
E-mails: [email protected], [email protected]
Abstract Silicon Carbide, Gallium Nitride and Diamond represent three of most promising wide bandgap semiconductors (WBS).
This paper provides a general review on the properties of the first ones, the main problems for developing commercial devices in the
same scale of power and voltage and reliability than their silicon counterparts. It will be reviewed the current ratings of some commercial diodes, transistors and thyristors and some performance comparisons between Si and SiC devices for typical power electronics
applications. Based on studied information, line of progress and the current state of developing, SiC seems to be the most viable substitute in high power and high temperature applications in the mid-term of silicon, due to the fact that the diamond still presents complex challenges in the synthesis process and GaN is still used in a reduced number of applications.
Keywords Silicon carbide, wide bandgap semiconductors, power semiconductor devices, power electronics.
Resumo Carboneto de Silício (SiC), Nitreto de Gálio (GaN) e Diamante são os semicondutores de banda larga mais promissores.
Este artigo apresenta uma revisão geral das propriedades do primeiro, os principais problemas no desenvolvimento de dispositivos
comerciais nos mesmos níveis de potência, tensão e confiabilidade dos dispositivos de silício (Si) correspondentes. No trabalho são
revistos os valores nominais de corrente de alguns diodos, transistores e tiristores SiC comerciais e feitas comparações com os dispositivos de Si em aplicações típicas de eletrônica de potência. Com base nos dados de fabricantes, linha de progresso e atual estágio de
desenvolvimento dos dispositivos de SiC, é possível dizer que, a médio prazo, eles são os substitutos mais viáveis para aplicações de
potência e temperatura elevadas, uma vez que o diamante ainda apresenta desafios complexos no seu processo de síntese e o GaN é
apenas utilizado em um número restrito de aplicações.
Palavras-chave Carboneto de Silício, semicondutores de banda larga, dispositivos semicondutores de potência, eletrônica de potência.
1
maior velocidade de deriva de elétrons saturados (2
– 2,7 vezes) do que o silício (Elasser & Chow,
2002).
Introdução
O silício é a matéria prima mais utilizada no desenvolvimento de semicondutores. A perícia no manejo deste material, adquirida em anos de trabalho e
pesquisa no mundo inteiro, permite criar e melhorar
processos de purificação, de crescimento de cristais,
de gravura, de deposição de camadas, etc. Isto, somado ao fato da extrema abundância do silício, faz
deste material a base do mercado eletrônico mundial. No entanto, Os limites físicos do silício têm aberto as portas para o estudo de um grupo de novos
elementos e compostos, chamados de semicondutores de banda larga (WBS, wide band semiconductors). Alguns dos mais conhecidos WBS são: o Carboneto de Silício (Silcon Carbide – SiC), o nitreto
de gálio (Gallium Nitride – GaN) e o diamante.
Estes elementos e compostos têm melhor rendimento
em relação ao manuseio de tensão e potência, à redução de perdas, ao incremento da velocidade de
comutação, etc. Estas melhoras são baseadas no fato
que os semicondutores de banda larga têm uma menor concentração de portadores intrínsecos (4 – 37
vezes), maior campo elétrico de ruptura (7 – 20 vezes), maior condutividade térmica (3 – 13 vezes) e
2
Visão global do Carboneto de Silício e
suas características
O Carboneto de Silício (SiC) apresenta mais de
150 politipos. O 4H-SiC e o 6H-SiC são os dois politipos que maior atenção tem recebido e, portanto,
que tem mais dispositivos desenvolvidos a nível comercial (Chow, 2000).
Na Tabela 1, são comparados alguns dos parâmetros
de maior relevância tanto para os principais semicondutores para aplicações de eletrônica de potência:
(i) energia de gap (Eg) em eV a 300 K, (ii) concentração de portadores intrínsecos (ni ) em cm-3, (iii)
permissividade relativa (εr), (iv) campo elétrico crítico (EC) em V/cm, (v) condutividade térmica (λ) em
W/cm.K, (vi) velocidade de deriva de elétrons saturados (vsat) em cm/s, e (vii) mobilidade de elétron
(μn) em cm2/V.s.
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dades de microtubagens zero para pastilhas de três
polegadas (Millán, 2007).
Outra desvantagem do SiC são os deslocamentos,
que abrangem: deslocamento de parafuso com uma
densidade de 103 cm-2, deslocamento de plano basal
com uma densidade de algumas dezenas por cm-2, e
deslocamento de borda com densidade de 100–1000
cm-2 (Hudgins, 2013). Em 2012, a indústria CREE
resolveu muitos destes problemas e anunciou que
está em capacidade de produzir pastilhas de 150 mm
de 4H–SiC com elevados padrões de qualidade
(Balakrishna, 2012).
Nos últimos anos, essas melhorias no processo de
produção aumentaram notavelmente a quantidade de
aplicações comerciais, não sendo estranho encontrar
comercialmente diodos de barreira Schottky de 1,2
kV a 50 A ou DMOSFET de 1,2 kV a 100 A.
Em termos gerais, o aumento de tensão de bloqueio
para todos os dispositivos com WBS é considerável,
pois a tensão de bloqueio mínima dos dispositivos
em SiC é quase a tensão de bloqueio máxima dos
dispositivos em Si. Isto faz o SiC ser extremamente
atraente para o desenvolvimento de produtos destinados a aplicações de alta potência.
Tabela 1. Comparação de parâmetros de semicondutores. (Chow,
2000)
Dia-
4HSiC
6HSiC
GaN
1,1
3,26
3,0
3,39
5,45
1,5×
8,2×
2,3×
1,9×
1,6×
1010
10 -9
10-6
10-10
10-27
εr
11,8
10,0
9,7
9,0
5,5
µn (cm2/V-s)
1350
650
50b
900
1900
Ec (MV/cm)
0,3
2,0
2,4
3,3
5,6
vsat (107 cm/s)
1,0
2,0
2,0
2,5
2,7
λ (W/cm-K)
1,5
4,5
4,5
1,3
20
Parâmetro
Eg (eV)
Si
mante
ni (cm-3)
De acordo com diferentes figuras do mérito, o SiC
supera, em rendimento, a outros materiais de banda
larga, como o Arsenieto de Gálio (GaAs), além do Si
(Elasser & Chow, 2002). Mesmo com todas suas
vantagens, nem todos seus politipos são práticos.
Embora o 3C-SiC seja muito promissor, as dificuldades para obter um crescimento cristalino de qualidade relegaram-no de modo ostensivo (Gupta &
Jacob, 2005). Assim não será discutido no presente
artigo.
Comparando o 4H-SiC e o 6H-SiC, destaca-se que o
primeiro oferece uma mobilidade de elétrons varias
vezes maior ao longo do eixo c, uma baixa energia
de ionização para os dopantes (Elasser & Chow,
2002), e maior energia de gap Eg, o que favorece
uma menor fuga de corrente em altas temperaturas.
Com relação ao Si, o SiC tem o dobro da velocidade
de saturação, permitindo maior manejo de corrente e
largura de banda (Agarwal et al., 1996).
Embora o SiC tenha rendimentos elevados, em comparação com o Silício, ainda existem sérias dificuldades em seu processamento, tais como o controle
preciso do gradiente de temperatura no interior do
sistema de crescimento para formar lingotes ou a
necessidade de fazer a dopagem usando técnicas
como implantação de íons em vez de utilizar processos convencionais, devido às baixas constantes de
difusão de impurezas do SiC (Kimoto, 2010). No
entanto, o problema que gerou o maior atraso na
massificação deste composto foi o defeito de microtubagem (micropipe defect), o qual produz um furo
de pequeno diâmetro que pode se estender por todo o
material, na direção do crescimento, levando isto a
uma falha do dispositivo em alta tensão (Palmour,
Singh, Glass, Kordina, & Carter, C. H., 1997).
Porém, em 2007 já foi possível obter pequenas microtubagens de somente 0,75 cm-2 ou mesmo densi-
3
Dispositivos para eletrônica de potência
Tendo tornado claro o impacto do SiC na próxima geração de dispositivos, serão discutidos, a
seguir, alguns dos dispositivos de eletrônica de potência fabricados a partir deste composto e o rendimento atual dos mesmos.
3.1 Retificadores de potência
Em 1998, os resultados experimentais demonstraram um avanço na redução das perdas e na velocidade de comutação dos diodos de SiC em relação
aos diodos de silício. Isto deu início ao desenvolvimento, por novas companhias, de diferentes tipos de
retificador SiC.
Figura 1. Características de comutação de um diodo Schottky construído com SiC e um diodo rápido de Silício, cada um de 600 V / 10
A.
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Na Figura 1, observa-se algumas das vantagens dos
diodos de SiC, especificamente para o diodo Schottky, o qual possui uma corrente reversa significativamente menor do que a do diodo de Si. Com isto,
as perdas são inferiores e eliminam quase que completamente o efeito de recuperação reversa, o que
permite a operação em freqüências mais elevadas
(Wondrak, Niemann, Held, Constapel, & Kroetz,
1998). Além disso, a estabilidade térmica na resposta do Diodo JBS de SiC sobre o diodo PiN de Si,
favorece sua escolha especialmente em projetos de
alta temperatura.
De forma geral, o problema destes dispositivos está
na queda de tensão de condução direta: nos diodos
de SiC a queda de tensão direta é de 2,5 V, quase 3,5
vezes a do Si. A seguir, são detalhados os três tipos
de retificadores de potência SiC mais desenvolvidos:
o diodo de barreira Schottky, o diodo PiN e os retificadores híbridos.
um futuro promissor destes dispositivos, pois se alcançou uma tensão de ruptura de avalancha de 12,9
kV em um retificador PiN de 100 µm, melhorando
em 60% a capacidade de bloqueio a 10 kV. Além
disso, foram obtidas uma baixa queda de tensão e
uma baixa resistência de condução de 3,75 V e 3,3
mΩ-cm2 para uma densidade de corrente de 100
A/cm2, respectivamente (Sundaresan, Sturdevant,
Marripelly, Lieser, & Singh, 2011).
3.1.3 Retificadores híbridos
Os retificadores híbridos correspondem a uma
combinação de um entre os diodos de barreira
Schottky e uma junção PN, o que reduz as perdas de
junção PN na condução direta e o uso da barreira
Schottky. Este diodo possui uma pequena corrente
de fuga reversa (Willander, Friesel, Wahab, &
Straumal, 2006). As estruturas mais conhecidas de
retificadores híbridos são: junção de barreira Schottky (JBS, Junction Barrier Schottky), fusão PiN
Schottky (MPS, Merged Pin/Schottky) e MOS de
barreira Shottky (MBS, MOS Barrier Schottky).
Neste dispositivo há áreas p+ entrelaçadas na região
Schottky, permitindo que em polarização reversa a
região Schottky seja empobrecida pela região p+
antes de alcançar a tensão de ruptura. Isto reduz,
ainda mais, as correntes de fuga. Para correntes baixas, só a região Schottky está ativa, fazendo com que
a queda de tensão no sentido direto seja baixa. Para
correntes elevadas, a junção p-n também fica ativa, o
que permite que o dispositivo possa lidar com mais
corrente (Zetterling, 2012).
3.1.1 Diodo de barreira Schottky (SBD)
Este diodo permite altas velocidades de comutação com uma recuperação reversa sem corrente reversa e sem sobretensão transitória na entrada em
condução, devido ao fato de que o transporte da corrente em direto é feita por portadores majoritários.
Ele tem sérios problemas de corrente de fuga elevada, baixa tensão de bloqueio e queda de tensão direta
com o aumento da temperatura (Millán, 2007). Porém, em (Tsuji et al., 2012) é relatado um avanço
significativo no ultimo problema mediante a melhora do processo de fabricação, obtendo-se quedas de
tensão de 1,35 V a 25°C e de 1,63 V a 175°C para
uma densidade de corrente de 200 A/cm2 e sem falhas em testes de longa duração. Além disso, os SBD
de SiC de 600 – 1200 V têm uma resistência de condução de 1 – 2 mΩ–cm2, ou seja, duas ordens de
grandeza menor que suas contrapartes de Si
(Kimoto, 2010), favorecendo o desenvolvimento de
aplicações em alta tensão com baixas perdas. Sem
dúvida, o progresso deste dispositivo, desde que entrou no mercado no ano 2001, é impressionante.
Comercialmente, hoje pode se encontrar uma grande
oferta de SBDs para uma faixa de potência muito
variada. Por exemplo, a Microsemi oferece diodos
com queda de tensão direta de 1,5 V @ 68 A, corrente de fuga de 400 µA @ 1200 V, e com tempo de
recuperação reversa inferiores a 1 ns. Em junho de
2013, uma nova série de dispositivos com tensão de
bloqueio de 3,3 kV entrou no mercado através do
fabricante GeneSiC.
3.2 Transistores de potência
Atualmente, há no mercado uma boa variedade
de transistores de potência fabricados com SiC sendo
especialmente popular o MOSFET com tensão de
bloqueio de 1,2 kV, que é produzido pela CREE,
Microsemi, ST Microelectronics e ROHM, entre
outros. Isto é um bom indicativo do progresso feito
nos dispositivos baseados em SiC.
A seguir, mostram-se os principais tipos de transistores em carboneto de silício e seus avanços mais
recentes.
3.2.1 MOSFET
O transistor MOSFET de SiC é um dos dispositivos no qual se deposita uma grande esperança especialmente para aplicações de potência elevada,
devido à sua menor resistência em estado de condução, em relação ao MOSFET Si (Figura 2), sua maior velocidade de comutação e sua capacidade de operação em temperaturas elevadas (Wang et al., 2008).
Estas características também o convertem no melhor
sucessor do IGBT de silício, pois trabalha na faixa
de tensão de bloqueio de 1,2 kV até 6,5 kV.
3.1.2 Diodos PiN
Estes diodos trabalham bem com tensões elevadas (> 4,5 kV) e apresentam baixas corrente de fuga,
mas têm tempos de resposta de comutação elevados.
Em 2011, foram obtidos resultados que demonstram
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do dispositivo: a lateral e a vertical, sendo esta última a mais usada para aplicações de potência. Além
disso, existe outra classificação complementar baseada na posição do canal: vertical e horizontal.
De forma geral, o processo de fabricação do VJFET
(vertical FET) não apresenta tantas complicações
como o do MOSFET, já que o mesmo não precisa da
formação de um óxido na porta. Ademais, este oferece uma baixa resistência de condução, em comparação com os dispositivos unipolares de Si, sendo
mais clara sua vantagem em temperaturas elevadas
devido a seu menor coeficiente de temperatura (Peter
Friedrichs, 2010). A seguir, são apresentados algumas características e detalhes das estruturas do
VJFET de canal vertical e horizontal propostos até
agora na literatura.
O VJFET de canal horizontal tem três variantes básicas chamadas: de superfície de porta 1 (S1-gate),
de porta furada (B-gate) e de superfície de porta 2
(S2-gate). As três variantes são ligadas de um dos
terminais da porta até a fonte logrando dessa forma
o aterramento. Devido a alto gap do SiC, a estrutura
pode suportar uma tensão de polarização para o estrangulamento (pinch-off) de uma soa porta, com
uma margem de segurança considerável, antes de
entrar em perfuração (punch-through, caso extremo
de modulação do canal que restringe a tensão máxima de operação do dispositivo) pela maior banda
proibida do material (Tabela 1).
O VJFET de canal vertical é obtido normalmente
mediante uma estrutura de canal implantado em
trincheira e tem uma mobilidade de canal superior
em relação ao de canal horizontal, mas requer um
projeto da região da porta.
As variantes mais importantes deste tipo de JFET
são: (i) de modo aprimorado com canal longo (Semisouth) que permite operação normalmente desligada,
(ii) de trincheira implantada com operação normalmente ligada e desligada, (iii) de porta implantada e
embarcada, (iv) de trincheira de dupla porta com
operação normalmente ligada e desligada, e (v) de
duplo canal otimizado para operação normalmente
desligada.
O JFET tem a grande desvantagem de ser uma chave
normalmente ligada precisando de um circuito de
comando de projeto complexo para fornecer uma
tensão VGS negativa para desligá-lo. Esta característica se torna indesejável em aplicações de potência
pelas possíveis consequências que podem acarretar
uma falha no dispositivo. Uma solução para obter
uma estrutura normalmente desligada é o chamado
principio cascode que usa um MOSFET de silício de
baixa tensão, trazendo como desvantagem o aumento na resistência de condução. No mesmo sentido,
desenvolveram-se estruturas modificadas como o
chamado cascode light proposto em 2010 e que dá
acesso de forma independente às portas do JFET e
do MOSFET (Domes & Zhang, 2010).
Figura 2. Comparação entre transistores MOSFET de Si e de SiC da
resistência especifica de área em função da tensão de bloqueio.
O UMOSFET foi a primeira estrutura baseada em
SiC (Palmour, Edmond, Kong, & Carter, 1994) e
tem dois sérios problemas: a mobilidade do canal de
reversão muito baixa e o alto campo elétrico no oxido dos bordos da trincheira (do inglês trench)
(Chow, 2000). Estes problemas tornaram-na inviável
na prática e deu passo a novas estruturas.
O DMOSFET surgiu como resposta do segundo problema do UMOSFET. No entanto, apresenta uma
maior resistência e requer um compromisso para não
se aumentar a área do dispositivo. Uma solução que
demonstra ser efetiva é a inclusão de uma camada n
fortemente dopada em baixo da base p.
Por último, o ACCUFET melhora a mobilidade de
portadores no canal usando uma camada dopada
contrariamente ao longo da interfase MOS, originando uma blindagem, mesmo contra os fortes campos elétrico da estrutura de SiC na porta do óxido
(Araújo, 2013).
Do ponto de vista fabricação, tanto o SiC como o Si
utilizam o SiO2 para formar a porta MOSFET. Mas,
a presença do carbono na rede cristalina do SiC gera
uma baixa qualidade de interfase SiC-SiO2, levando
o transistor a um rendimento pobre (Stevanovic et
al., 2010).
Alguns outros problemas como a alta resistência do
canal devida à baixa mobilidade (poucas dezenas de
cm2/V.s) e a tensão de limiar perto dos 2 V fazem
com que o MOSFET de SiC ainda não seja tão competitivo em relação ao fabricado com Si (Kaminski
& Hilt, 2012). Hoje há fabricantes oferecem produtos na faixa de 1,2 kV até 1,7 kV. Em contraste, no
nível acadêmico, em 2004 já havia sido apresentado
um MOSFET de SiC de 10 kV (Ryu et al., 2004).
3.2.2 JFET
Para a fabricação do JFET foram desenvolvidas
duas estruturas, dependendo do arranjo dos contatos
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3.2.3 BJT de SiC ou Super Junction Transistor (SJT)
zontais também têm um interessante nicho, especialmente em aplicações em baixa potência. Em (Chu
et al., 2013), foi anunciado, pela primeira vez, um
IGBT lateral de canal n. Em comparação com o
DMOSFET lateral de SiC, o IGBT lateral tem uma
menor resistência de condução, sua tensão de ruptura sendo de 2.67 kV. Espera-se que esta configuração
do IGBT tenha uma notável inserção em aplicações
para circuitos de potência integrados.
Como foi demonstrado em (Callanan et al., 2008), o
uso do IGBT de SiC para aplicações com tensões
superiores a 9 kV se torna mais vantajoso do que
outros dispositivos em carboneto de silício, como o
DMOSFET, já que para a mesma área se obteve um
nível de potência maior. Do mesmo modo, quando
se compara o número de dispositivos necessários e a
complexidade de comando das chaves para aplicações como controle de motores com IGBT de silício,
as diferenças são contundentes. Uma aplicação deste
tipo usando silício requer pelo menos 72 chaves.
Usando SiC só se necessita de 6, além da redução no
tamanho dos transformadores de isolamento.
O BJT de SiC exibe um conjunto de características desejáveis em dispositivos de potência. Quando
este dispositivo é normalmente desligado, tem uma
baixa resistência de condução, coeficiente positivo
de resistência de condução, coeficiente negativo do
ganho de corrente e alta velocidade de chaveamento
(P Friedrichs, Kimoto, Ley, & Pensl, 2011).
Também, o BJT de SiC pode operar em altas temperaturas, devido à ausência do oxido na porta, suporta
altas tensões de bloqueio e não tem ruptura secundária como acontece com sua correspondente de silício.
No começo, os principais problemas desta estrutura
consistiam na obtenção de elevados de ganhos de
corrente. Isto foi resolvido com o uso da configuração Darlington atingindo-se valores de até 336
(Qingchun Zhang et al., 2009). Outros fatores que
limitou a inserção do BJT de SiC no mercado foram
a redução ganho de corrente e o aumento da resistência de condução, com o tempo.
3.2.4 IGBT
3.2.5 MGT
O IGBT é o dispositivo em silício com maior
presença no mercado para aplicações de potência,
tendo um circuito disparo controlado por tensão bastante simples, baixas perdas de comutação e frequência de operação elevada.
O IGBT de SiC vertical pode ser de canal tipo n ou
canal tipo p. No entanto, os p-IGBT não têm demonstrado bom rendimento, pelas dificuldades existentes em seu processo de fabricação. Além disso,
umas das características a ressaltar nos n-IGBT de
SiC é que podem ser dispostos em paralelo, já que
possuem um coeficiente positivo de temperatura da
resistência de condução. No entanto, teoricamente,
tanto os n-IGBT quanto os p-IGBT têm quedas de
tensão direta similares. O VJFET de canal vertical é
normalmente obtido através de uma estrutura de
canal implantado em trincheira Ele tem uma mobilidade de canal superior ao de canal horizontal, mas
requer um projeto da região da porta. Embora parecesse que somente o n-IGBT seria mais promissor,
os dois tipos de IGBT, utilizando 4H-SiC, foram
desenvolvidos para tensões de bloqueio elevadas
(Palmour et al., 2010).
Em (Kadavelugu et al., 2013), foram divulgados
testes de rendimento de um n-IGBT de SiC de 15
kV/ 20 A. Obteve-se quedas de tensão direta de aproximadamente 6 V e 6,5 V para uma corrente de 20 A
com temperaturas de 25°C e 150°C, respectivamente. Além disso, este n-IGBT tem correntes de fuga de
137 µA para uma tensão de bloqueio de 12 kV e de
153 µA para as mesmas temperaturas mencionadas
anteriormente.
Embora, a estrutura vertical dos dispositivos tenha
tido um maior desenvolvimento por sua capacidade
em manipular correntes elevadas, as estruturas hori-
O transistor disparado por MOS (MOS-gated
transistor) é um dispositivo em que um transistor
bipolar em configuração Darlington é controlado por
um MOSFET. Esta configuração favorece um ganho
de corrente elevado e uma grande área de operação
segura, pois possui uma base estreita, em relação à
do IGBT (Tang, Banerjee, & Chow, 2002). Além
disso, seu tempo de bloqueio pode ser reduzido mediante a inclusão de outro transistor MOSFET, de
forma monolítica, esta ultima variante foi apresentada em 1999 usando 6H-SiC, mas seu desenvolvimento parece ter estacionado.
3.3 Tiristores
Nas aplicações de alta e média tensão usa-se,
prioritariamente, tiristores devido à sua capacidade
de manipular correntes e tensões elevadas com encapsulamento relativamente pequeno. Considerando
as características dos semicondutores de banda larga
e as necessidades do setor, existem as oportunidades
de realizar mudanças tecnológicas em grande escala.
Muitas das limitações que do silício no manejo de
potência podem ser resolvidas através do uso do SiC,
que apresenta um maior campo de ruptura Ec do que
o Si. Isto permitiria reduzir o número de dispositivos
conectados em série para níveis de tensão elevados,
melhorando características como a densidade de
potência, a fiabilidade e a eficiência.
A estrutura atual do SCR de SiC é complementar à
do SCR de Si, devido ao substrato n+ usado. Nesse
dispositivo, o transistor NPN da parte inferior melhora o BVCEO e a área de operação segura. No entanto, o transistor PNP da parte superior precisa de
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uma corrente de gatilho elevada para conduzir. O
primeiro dispositivo deste tipo atingiu temperaturas
de operação próximas dos 400ºC (Choyke,
Matsunami, & Pensl, 2003).
Não obstante, esforços feitos no crescimento das
epicamadas espessas permitiram corrigir esta situação. As estratégias adotadas para fazer frente a este
problema resultaram sendo efetivas e conseguiram
manter a queda de tensão direta numa faixa de operação aceitável mesmo depois de 1000 horas, como
mostra a Figura 4 (Cheng et al., 2012; Q. Zhang et
al., 2011).
3.3.1 Gate Turn-Off thyristor GTO
De forma geral, as vantagens de maior impacto
dos GTO de SiC são: sua capacidade de conduzir
correntes elevadas (dezenas de kA/cm2) devido à
condutividade térmica superior, de sua baixíssima
corrente de fuga a altas temperaturas, por seu grande
gap, e de sua capacidade de bloqueio em altas tensões pelo seu elevado Ec (Q. Zhang et al., 2011).
Com respeito ao seu correspondente de silício, o
GTO de SiC concede os seguintes benefícios: redução do numero de componentes e da complexidade,
peso e volume do sistema; aumento na frequência de
chaveamento em um fator de 10; e eficiente comportamento à alta temperatura. Também, o GTO de SiC
oferece uma menor resistência de condução com
respeito ao MOSFET de SiC, o IGBT de SIC e IGBT
de Si.
Em (Cheng et al., 2012), foi relatado um dispositivo
com tensão de bloqueio VGK de 12 kV e com corrente
de fuga de 1 µA a 20ºC como se mostra na
Figura 3. Outros dos avanços que podem ser obtidos
com o uso do SiC é a operação em temperaturas de
até 300ºC, o que se constitui numa vantagem sobre o
GTO de Si.
O problema inicial para a aceitação do GTO de
SiC foi à degradação da sua queda de tensão proporcionalmente ao intervalo de tempo.
3.3.2 Emitter Turn-Off thyristor ETO
O ETO surgiu em 1998 como um dispositivo
para solucionar os problemas do GTO, especificamente sua necessidade de usar snubbers e complexos
sistemas de disparo. Seus principais benefícios são:
controle de disparo MOS, ampla área de operação
segura, alta velocidade de chaveamento e capacidade
de saturação de corrente (Wang, Wang, Li, &
Huang, 2009). Na Figura 5, mostra-se um circuito
equivalente do ETO e seu símbolo. Seu principio de
funcionamento é o seguinte: durante o bloqueio, o
MOSFET do emissor não permite a circulação de
corrente pelo anodo do GTO e a corrente de anodo é
chaveada antes de a tensão do cátodo crescer. Portanto, todo o processo de bloqueio não apresenta
latch-up e garante que o mesmo seja uniforme. A
velocidade desta transição também melhora devido à
rápida extração da carga armazenada no GTO de
SiC (Wang et al., 2009).
O primeiro ETO de SiC foi apresentada em 2009
(Wang et al., 2009)(Wang & Huang, 2009). Tal dispositivo se baseia em um GTO da Cree tipo p de 4,5
kV, com uma área de 0,36 cm2. Testes realizados
comprovaram que a inclusão dos MOSFET não aumenta significativamente a queda de tensão, mantendo suas perdas de condução bastante baixas.
Além disso, o protótipo demonstrou que pode operar
a frequências até 4 vezes maiores (4 kHz) do que seu
correspondente de silício. Espera-se ele que possa
trabalhar em frequências ainda mais elevadas.
Figura 3. Capacidade de bloqueio gatilho-catodo de um GTO de 12
kV de um cm2 desenvolvido em 4H-SiC.
Figura 5. ETO tipo p. a) Circuito equivalente. b) Símbolo.
Figura 4. Comportamento da curva V-I com o transcurso do tempo.
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Tabela 2. Tensão de ruptura em V para produtos comerciais de diferentes fabricantes no mercado para novembro de 2013(Cree Inc,
2013; GeneSiC Semiconductor, 2013; Infineon Technologies AG,
2013; Microsemi Corporation, 2013; ROHM Semiconductor, 2013).
Fabricante
Schottky
MOSFET
JFET
Bipolar
GTO
Cree
1700
1700
-
-
-
Rohm
1200
1200
-
-
-
Microsemi
1200
1200
-
1200
-
Infineon
1200
-
1200
-
-
GeneSiC
3300
-
-
1700
6500
alta tensão tanto CA como CC por sua capacidade de
trabalhar a alta temperatura e suportar tensões elevadas, reduzindo o numero de módulos empilhados.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à
FAPESQ-PB pelo apoio financeiro que tornou possível a realização deste trabalho.
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Recentemente, foi apresentado um p-ETO de SiC
com tensão de bloqueio superior a 13 kV (Rezaei et
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superiores a 10 kV para o ETO tipo n de SiC.
3.4 Limites em tensão das soluções comercias atuais
Para observar o estado atual das diferentes estruturas apresentadas neste trabalho, resumem-se na
Tabela 2 as tensões de ruptura dos dispositivos comerciais fabricados pelas empresas mais reconhecidos do setor de dispositivos em SiC.
4
Conclusão
O ritmo de desenvolvimento de dispositivos em
SiC tem permitido iniciar uma transição nas aplicações de média e alta tensão, já que este material
apresenta maior densidade de potência e confiabilidade, menor tempo de resposta e menos requisitos de
resfriamento. Além de suas vantagens intrínsecas, a
tecnologia para fabricação de dispositivos de SiC
pode ser considerada madura, após ter resolvido
problemas de qualidade do material e dopagem.
Os diodos de SiC têm um futuro promissor para
aplicações de potência com temperaturas superiores
a 150°C, altas densidades de correntes, baixas resistências de condução (poucos mΩ-cm2), tempos de
recuperação reversa da ordem dos nanosegundos, e
corrente de fuga de micro amperes µA para tensões
superiores a 1 kV. Enquanto, o MOSFET de SiC está
sendo cotado para substituir o IGBT de silício e a ser
o dispositivo forte na faixa abaixo dos 15 kV. Já o
JFET de SiC tem um lugar garantido como substituto de algumas estruturas unipolares de silício para
aplicações de alta temperatura. Por sua parte, o
IGBT de SiC deve predominar na faixa entre 15 e 20
kV principalmente com estruturas verticais do tipo n,
devido à sua baixa corrente de fuga em uma faixa de
temperatura de até 150°C.
Na faixa superior a 20 kV, o GTO de SiC provavelmente revolucionará os sistemas de transmissão de
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