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È in corso una lotta di potere nel mondo dell’elettronica. I semiconduttori al nitruro di gallio, più veloci ed efficienti, hanno già usurpato i tradizionali MOSFET al silicio in una varietà di applicazioni. Ma il GaN è davvero pronto a prendere il trono?

Cos’è il nitruro di gallio (GaN)?

Il nitruro di gallio è un materiale semiconduttore con bandgap diretto usato per produrre dispositivi semiconduttori come transistor e diodi. Questo composto ad alte prestazioni ha colpito per la prima volta il mercato dell’elettronica di potenza negli anni ’90 come componente vitale nei diodi ad emissione di luce (LED). Il GaN ha un bandgap particolarmente ampio di 3,2 eV, che lo rende in grado di gestire tensioni molto elevate e di operare a temperature elevate.

Può essere utilizzato per una vasta gamma di applicazioni, dai dispositivi optoelettronici alle comunicazioni radio ad alta frequenza, e si trovano sempre nuovi usi per questo materiale semiconduttore efficiente e molto potente.

Le attuali applicazioni GaN includono:

• Laser e applicazioni fotoniche come i diodi emettitori di luce (LED)

• Celle solari per sistemi fotovoltaici

• Transistor resistenti alle radiazioni per satelliti.hardened transistors for satellites

• Componenti a radiofrequenza come amplificatori di potenza RF

• Trasmissione di potenza wireless, e.ad esempio caricabatterie wireless per telefoni, computer portatili, controller di console di gioco, pompe cardiache e altre applicazioni mediche

• Convertitori DC-DC per applicazioni datacom, ad esempio server farm e centri di telecomunicazione centralizzati

• LiDar (light detection and ranging), ad esempio dispositivi in auto autonome che misurano le distanze usando il laser

• Immagini e rilevamento, per esempio amplificatori di potenza per dispositivi a microonde e terahertz (ThZ)

GaN vs. silicio

Prima che il GaN decollasse, il silicio era stato a lungo il materiale più usato per produrre semiconduttori. L’invenzione del MOSFET al silicio (metal-oxide-silicon fieldeffect transistor) ha rivoluzionato l’informatica e ha aperto la strada all’era digitale. Ora, dopo decenni di predominio, sembra che il silicio possa aver raggiunto l’apice. Secondo gli esperti di nitruro di gallio GaN Systems, “stiamo raggiungendo il limite teorico di quanto i MOSFET al silicio possano essere migliorati, quanto possano essere efficienti dal punto di vista energetico”.

Uno sguardo alle proprietà e alle capacità dei due semiconduttori suggerisce che il nuovo arrivato ad alte prestazioni finirà per sostituire il silicio. Quando si confrontano GaN e silicio, il bandgap è un buon punto di partenza. Il bandgap del GaN è di 3,4 eV, mentre il silicio ha un valore di appena 1,12 eV. Questo significa che i semiconduttori GaN possono sostenere tensioni più alte e sopravvivere a temperature più elevate rispetto ai MOSFET di silicio. La corrente può viaggiare più velocemente attraverso i semiconduttori GaN, garantendo una maggiore efficienza e meno perdite di commutazione quando vengono utilizzati in applicazioni hardswitching. Hanno meno capacità dei MOSFET al silicio, il che significa che si perde meno potenza quando i dispositivi vengono caricati e scaricati. I semiconduttori GaN occupano anche meno spazio sui circuiti stampati, rendendo possibile la fabbricazione di apparecchi elettronici sempre più piccoli.

Il costo è un altro fattore chiave. È possibile far crescere i cristalli di nitruro di gallio sopra il silicio, quindi possono essere prodotti negli impianti di produzione di silicio esistenti e non richiedono costosi siti di produzione specializzati. Sebbene i cristalli di nitruro di gallio siano attualmente ancora più costosi da produrre rispetto al silicio, i semiconduttori GaN abbassano i costi complessivi di produzione di un sistema riducendo le dimensioni e il costo di altri componenti.

La velocità e l’efficienza superiori dei semiconduttori GaN li rendono anche più adatti a soddisfare le normative sull’inquinamento ambientale che sono richieste per mitigare il cambiamento climatico.

C’è qualcosa che il GaN non può fare?

Per quanto riguarda i dispositivi a semiconduttore, il GaN sembra avere tutte le carte in regola. Eppure, nonostante il suo uso diffuso in una varietà di industrie, ci sono ancora diverse applicazioni che deve ancora padroneggiare.

Mentre i dispositivi a semiconduttore GaN sono diventati indispensabili per applicazioni optoelettroniche e ad alta frequenza, per esempio, i transistor GaN non sono ancora così versatili come i MOSFET al silicio. Il problema risiede nel fatto che la maggior parte dei transistor GaN sono transistor in modalità di deplezione o “normalmente accesi”. Secondo la rivista Power Electronics, “i transistor in modalità di deplezione sono scomodi perché all’avvio di un convertitore di potenza, un bias negativo deve prima essere applicato ai dispositivi di potenza o si verificherà un corto circuito”. C’è anche il fatto che i circuiti elettronici richiedono tipicamente sia transistor in modalità di deplezione che in modalità di miglioramento. Tuttavia, sono già state sviluppate soluzioni per questo problema ed è sicuramente solo una questione di tempo prima che i semiconduttori GaN appaiano in ancora più prodotti e industrie.