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Está em curso uma luta de poder no mundo da electrónica. Semicondutores mais rápidos e eficientes de nitreto de gálio já usurparam os tradicionais MOSFETs de silício em uma variedade de aplicações. Mas o GaN está realmente pronto para tomar o trono?

O que é o nitreto de gálio (GaN)?

Nitreto de gálio é um material semicondutor de bandgap directo usado para fabricar dispositivos semicondutores, tais como transístores e díodos. Este composto de alto desempenho atingiu pela primeira vez o mercado de eletrônica de potência nos anos 90 como componente vital em diodos emissores de luz (LEDs). O GaN tem uma faixa particularmente ampla de 3,2 eV, tornando-o capaz de lidar com tensões muito altas e operar a altas temperaturas.

Pode ser usado para uma ampla gama de aplicações – desde dispositivos optoeletrônicos até radiocomunicações de alta frequência – e novas utilizações estão sendo constantemente encontradas para este material semicondutor eficiente e altamente potente.

Aplicações GaN atuais incluem:

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• A Laser e aplicações fotônicas como diodos emissores de luz (LEDs)

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• Células solares para sistemas fotovoltaicos

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• Radiação-transistores endurecidos para satélites

• Radio componentes de frequência como amplificadores de potência de RF

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• Conversores DC-DC para aplicações de datacom, por exemplo, fazendas de servidores e centros de telecomunicações centralizados

• LiDar (detecção de luz e alcance), por exemplo dispositivos em carros autônomos que medem distâncias usando lasers

• Imaging and sensing, por exemplo, amplificadores de potência para dispositivos de microondas e terahertz (ThZ)

GaN vs. silício

Antes da descolagem do GaN, o silício era há muito o material mais utilizado para a fabricação de semicondutores. A invenção do silício MOSFET (transistor de efeito de campo metal-oxido-silício) revolucionou a computação e abriu o caminho para a era digital. Agora, após décadas de domínio, parece que o silício pode ter atingido o auge. Segundo os especialistas em nitreto de gálio GaN Systems, “estamos a atingir o limite teórico de quanto silício os MOSFETs podem ser melhorados, como podem ser eficientes em termos de potência”.

Um olhar para as propriedades e capacidades dos dois semicondutores sugere que o recém-chegado de alto desempenho irá eventualmente substituir o silício. Ao comparar GaN e silício, o bandgap é um bom lugar para começar. O bandgap de GaN é 3,4 eV, enquanto o silício tem um valor de apenas 1,12 eV. Isto significa que os semicondutores GaN podem manter tensões mais elevadas e sobreviver a temperaturas mais elevadas do que os MOSFETs de silício. A corrente pode viajar mais rapidamente através dos semicondutores GaN, garantindo maior eficiência e menos perdas de comutação quando são usados em aplicações de comutação difícil. Eles têm menos capacitância que os MOSFETs de silício, o que significa que se perde menos energia quando os dispositivos são carregados e descarregados. Os semicondutores GaN também ocupam menos espaço nas placas de circuito, tornando possível a fabricação de aparelhos eletrônicos cada vez menores.

Custo é outro fator chave. É possível cultivar cristais de nitreto de gálio sobre o silício, para que possam ser produzidos nas instalações de fabricação de silício existentes e não necessitem de locais de produção especializados e dispendiosos. Embora os cristais de nitreto de gálio ainda sejam actualmente mais caros de produzir do que o silício, os semicondutores GaN reduzem os custos globais de produção de um sistema ao reduzir o tamanho e o custo de outros componentes.

A velocidade e eficiência superiores dos semicondutores GaN também os tornam mais adequados para cumprir os regulamentos de poluição ambiental necessários para mitigar as alterações climáticas.

Existe algo que o GaN não possa fazer?

No que diz respeito aos dispositivos semicondutores, o GaN parece assinalar todas as caixas. No entanto, apesar da sua utilização generalizada numa variedade de indústrias, existem ainda várias aplicações que tem de dominar.

Embora os dispositivos semicondutores GaN se tenham tornado indispensáveis para aplicações optoelectrónicas e de alta frequência, por exemplo, os transístores GaN ainda não são tão versáteis como os MOSFETs de silício. O problema reside no facto de a maioria dos transístores GaN serem transístores em modo de esgotamento ou transístores “normalmente-on”. De acordo com a revista Power Electronics, “transístores em modo de esgotamento são inconvenientes porque na inicialização de um conversor de energia, um viés negativo deve ser aplicado primeiro aos dispositivos de energia ou um curto-circuito irá resultar”. Há também o fato de que o circuito eletrônico normalmente requer tanto o modo de esgotamento quanto os transistores de modo de melhoria. No entanto, já foram desenvolvidas soluções para esta questão e certamente é apenas uma questão de tempo até que os semicondutores GaN apareçam em ainda mais produtos e indústrias.