Tradução por Carlos Delfino
Este artigo discute os transistores Verticais GaN™ eJFET da NexGen e seus princípios de operação.
Para sistemas de conversão de energia com maior eficiência e densidade de potência, são necessários dispositivos de comutação de alto desempenho. Os MOSFETs de Super Junção de Silício (Si-SJ) atingiram seus limites de desempenho, enquanto os dispositivos de Carbeto de Silício (SiC) têm suas utilidades limitadas devido às baixas frequências de comutação.
Introdução aos Dispositivos Verticais de GaN
O material de Nitreto de Gálio (GaN) oferece propriedades superiores para produzir dispositivos com alta tensão de ruptura e altas frequências de comutação. No entanto, os dispositivos atuais de potência de GaN são realizados como dispositivos laterais, com camadas finas de GaN crescidas epitaxialmente em um substrato de Si ou SiC. Nessas configurações, a corrente flui muito perto da superfície do dispositivo, o que não explora a alta tensão de ruptura do GaN e não permite escalabilidade para tensões mais altas.
A NexGen adota uma abordagem diferente, criando uma estrutura de dispositivo GaN vertical em 3D ao crescer camadas espessas de GaN sobre um substrato de GaN a granel (GaN-on-GaN). A corrente flui através do material em massa, evitando as desvantagens inerentes à condução de corrente próxima à superfície dos dispositivos GaN-on-Si.
Benefícios dos Dispositivos Verticais GaN™
Os transistores de junção de efeito de campo (eJFET) Verticais GaN™ da NexGen possuem um canal vertical n-GaN entre duas junções p-n. A tensão gate-source controla a extensão das regiões de depleção no canal e, consequentemente, a corrente de dreno, exibindo a relação Ids/Vds típica dos FETs.
Alta Tensão de Ruptura e Baixa RDS(on)
A construção 3D do dispositivo, com a tensão de ruptura determinada principalmente pela espessura da camada de deriva, não requer grandes dimensões laterais para alcançar uma alta tensão de ruptura. Isso resulta em dispositivos pequenos que combinam baixa RDS(on) com tensões de ruptura elevadas (≥ 1200V) e frequências de comutação muito altas.
Baixas Perdas de Ligação
A menor área do dispositivo e as capacitâncias reduzidas em comparação com dispositivos SiC de 1200V resultam em menores perdas de ligação. Os dispositivos Verticais GaN™ são menores do que os dispositivos laterais de GaN comparáveis com tensões de ruptura muito mais baixas (650V).
Propriedades de Avalanche Robustas
Como um JFET de GaN com a gate formando uma junção p-n, os FETs Verticais GaN™ podem robustamente suportar avalanches para se proteger de picos transitórios e outras condições anormais de operação. Em contraste, dispositivos laterais GaN-on-Si podem se degradar se expostos repetidamente a tensões acima da sua tensão de ruptura.
Função de Diodo de Corpo sem Carga de Recuperação Reversa
Os dispositivos Verticais GaN™ não possuem um diodo de corpo parasítico, evitando perdas de comutação causadas pela remoção de cargas de recuperação reversa. A estrutura eJFET permite a condução de corrente na direção reversa, assumindo efetivamente a função de um diodo de roda livre sem perdas de comutação de recuperação reversa.
Insensibilidade a Efeitos de Superfície
A condução de corrente dentro do material a granel dos dispositivos Verticais GaN™ é robusta e insensível aos efeitos de superfície, em comparação com dispositivos laterais GaN-on-Si. Isso facilita a gestão térmica, permitindo o resfriamento de ambos os lados do dispositivo.
Confiabilidade Intrínseca
A construção homoepitaxial dos dispositivos GaN-on-GaN elimina os problemas de incompatibilidade de rede cristalina e coeficiente de expansão térmica, evitando fraquezas de confiabilidade, desafios de fabricação e compromissos de desempenho.
Benefícios das Aplicações
A NexGen desenvolveu demonstradores de aplicação para mostrar o desempenho superior dos dispositivos Verticais GaN™ em aplicações de alta tensão e alta frequência de comutação. Dispositivos eJFET Verticais GaN™ são compatíveis com drivers MOSFET de super junção existentes, tornando a integração em designs atuais extremamente fácil e permitindo benefícios de desempenho quase imediatos sem redesenhos elaborados.
Atualmente, a NexGen está desenvolvendo uma gama de fontes de alimentação com potência de saída superior a 100W, utilizando a tecnologia Vertical GaN™ para operar em frequências de comutação acima de 1MHz.
Conclusão
A tecnologia Vertical GaN™ da NexGen combina propriedades de dispositivo que antes eram consideradas incompatíveis, proporcionando dispositivos com alta frequência de comutação, alta tensão de ruptura e robustez de avalanche superior. Isso permite que uma única tecnologia atenda a uma ampla gama de aplicações de conversão de energia.
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Sobre o Autor
Muito interessante, é fascinante o mundo da eletrônica.