Introducción a los semiconductores de banda ancha
Índice
Los semiconductores con una brecha energética (Eg) mayor que la de los semiconductores convencionales, normalmente superior a 2 eV, se denominan semiconductores de banda ancha (WbG).
En comparación, los semiconductores de uso común Si y GaAs tienen un andgap de 1,1 eV y 1,43 eV, respectivamente. Se desarrollaron porque era necesario ampliar la tecnología de los semiconductores a la manipulación óptica y a los dispositivos de alta potencia y alta frecuencia.
La mayoría de los WBGS son conocidos esencialmente por su estructura y sus propiedades únicas. Se han desarrollado diversas técnicas de crecimiento para sintetizar materiales con excelentes propiedades, baja concentración de defectos y buen control de su estequiometría.
Los WBGS tienen propiedades electrónicas que se sitúan entre las de los semiconductores convencionales y las de los aislantes, lo que les permite funcionar a voltajes, frecuencias y temperaturas mucho más elevados que los materiales semiconductores convencionales como el silicio y el arseniuro de galio.
Los WBGS se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como los LED o láseres de longitud de onda corta (de verde a UV), los radares militares y determinadas aplicaciones de radiofrecuencia.
Su alta tolerancia a la temperatura los hace muy atractivos para aplicaciones militares, y también se utilizan en aplicaciones de conversión de potencia, donde pueden manejar niveles de potencia más altos en condiciones normales de funcionamiento.
Además, los WBGS pueden utilizarse en la iluminación de estado sólido, donde tienen el potencial de reducir la cantidad de energía necesaria para proporcionar una iluminación con una eficacia luminosa inferior a 20 lúmenes por vatio.
La eficacia de los LED que utilizan WBGS es del orden de 160 lúmenes por vatio.
La brecha energética de los WBGS se puede adaptar con átomos de alta brecha del grupo III (Al, Ga, In) y V (N, P, As, Sb). Formación de aleaciones ternarias y cuaternarias III-V y semiconductores compuestos II-VI.
El bandgap más amplio y, por tanto, la menor generación térmica de portadores de carga, permite que los WBGS funcionen a temperaturas mucho más elevadas, por ejemplo, hasta 300 °C o incluso 900 °C.
La alta tensión de ruptura y la alta velocidad de deriva le permiten funcionar a altas frecuencias de conmutación (>20 kHz) y a tensiones y corrientes más elevadas en comparación con los semiconductores convencionales.
Los materiales más comunes de los WBG son el diamante y el carburo de silicio (SiC), y son la elección principal para los dispositivos de alta potencia.
Estos materiales se utilizan en diversas aplicaciones, como aplicaciones de conmutación de alta temperatura y potencia, iluminación de estado sólido y procesamiento de señales de radiofrecuencia (RF).
Los WBGS también tienen altas velocidades de electrones libres, lo que les permite trabajar a velocidades de conmutación más altas, haciéndolos valiosos en aplicaciones de radio.
Un solo dispositivo WBG puede utilizarse para hacer un sistema de radio completo, eliminando la necesidad de componentes separados de señal y radiofrecuencia, al tiempo que funciona a frecuencias y niveles de potencia más altos.
Los WBGS se aplican en numerosos ámbitos electrónicos y optoelectrónicos (Fig. 2).
Aplicaciones de los semiconductores de banda ancha
Aplicaciones electrónicas de los semiconductores de banda ancha
- Electrónica de potencia:
- Los dispositivos de banda ancha permiten una mayor eficiencia energética, densidad de potencia y temperaturas de funcionamiento más elevadas en convertidores, inversores y accionamientos de motor.
- Informática:
- La capacidad de conmutación a alta velocidad de los transistores de banda ancha mejora el rendimiento informático.
- Circuitos de radiofrecuencia:
- El funcionamiento a alta frecuencia y el manejo eficaz de la potencia son esenciales para los sistemas de comunicación inalámbricos.
- Circuitos convertidores de datos:
- mayor velocidad y precisión de los convertidores analógico-digital y digital-analógico.
- Memoria flash:
- Los dispositivos de memoria de banda ancha presentan mayor velocidad de lectura y escritura, mayor vida útil y menor consumo de energía.
- Interfaces de sensores:
- Los dispositivos de banda ancha mejoran la sensibilidad del sensor y las capacidades de la interfaz.
Aplicaciones optoelectrónicas de los semiconductores de banda prohibida ancha
- Imagen:
- Los dispositivos de banda ancha permiten obtener sistemas de imagen de alta resolución y sensibilidad para aplicaciones científicas, médicas e industriales.
- Comunicación óptica:
- Los dispositivos ópticos eficientes y de alta velocidad son vitales para la transmisión de datos en las redes de comunicación modernas.
- Detección óptica:
- Los fotodetectores de banda ancha proporcionan soluciones de detección precisas y fiables para la vigilancia medioambiental e industrial.
- Circuitos convertidores de datos:
- mayor velocidad y precisión de los convertidores analógico-digital y digital-analógico.
- Imágenes biomédicas:
- Los dispositivos de imagen de alta calidad contribuyen a los avances en el diagnóstico y la investigación médicos.
- Circuitos integrados fotónicos:
- Los materiales de banda prohibida ancha permiten circuitos fotónicos compactos y eficaces para el procesamiento de datos y la comunicación.
- Tecnología de visualización:
- La adopción de dispositivos de banda prohibida ancha permite obtener pantallas energéticamente eficientes con mayor precisión de color y resolución.
Adaptar la brecha energética y la elección de materiales
Hay más implementaciones basadas en materiales WBG que en los homólogos tradicionales basados en silicio.
Algunas de las aplicaciones, además de las ilustradas en la figura anterior, son: soluciones de energía solar, inversores monofásicos de cadena, inversores trifásicos de cadena, aprovechamiento de la energía eólica, energía auxiliar, energía del núcleo, intercambio en caliente, energía del bastidor del servidor.
Otras aplicaciones son las soluciones de electrificación del transporte, como la energía auxiliar para vehículos eléctricos (VE), los inversores de tracción, la carga de VE, el generador de arranque y el cargador de a bordo.
Técnicas e Instrumentos de Análisis Térmico
Las técnicas de análisis térmico son cruciales para comprender el comportamiento térmico de los materiales WBG y garantizar su rendimiento óptimo en los dispositivos electrónicos.
Permiten a los investigadores e ingenieros desarrollar y optimizar dispositivos WBG para diversas aplicaciones, como la electrónica de potencia, los dispositivos de RF y potencia, y las baterías.
Las técnicas de análisis térmico utilizadas para el análisis de WBGS incluyen:
- Medición de la resistencia térmica
- Medición de la conductividad térmica
- Medición de la resistencia térmica límite
- Gestión térmica y embalaje
Linseis Thermal Analysis ofrece una gama de instrumentos para el análisis de la conductividad/resistividad térmica y el análisis de materiales termoeléctricos.
Estos instrumentos están diseñados para el análisis de materiales en investigación y control de calidad, y se utilizan en diversas industrias, como la química, automovilística, de polímeros y electrónica.
Algunos de los productos específicos de análisis térmico de Linseis son:
- Analizador de conductividad térmica:
- Estos instrumentos miden las propiedades de transferencia de calor, como la conductividad térmica, la difusividad térmica o también la capacidad calorífica específica, proporcionando información sobre la capacidad de un WBGS para almacenar y transferir calor o temperatura.
Linseis dispone de una amplia gama de instrumentos de conductividad térmica para la investigación de los WBGS, como:- Analizador de Flash Láser (LFA) y el Puente caliente transitorio (THB) que permite determinación de la difusividad térmicaconductividad térmica y determinación de la capacidad calorífica específica con gran precisión.
- El Analizador de Frecuencia Láser de Capa Fina (TF-LFA) y Analizador de Películas Finas (TFA) están diseñados para medir la difusividad térmica y la conductividad térmica de películas finas en el rango de µm a nm, que se utilizan habitualmente, por ejemplo, en las industrias computacionales.
- Estos instrumentos miden las propiedades de transferencia de calor, como la conductividad térmica, la difusividad térmica o también la capacidad calorífica específica, proporcionando información sobre la capacidad de un WBGS para almacenar y transferir calor o temperatura.
- Analizador termoeléctrico: Estos dispositivos miden la resistividad eléctrica, el coeficiente Seebeck, el valor ZT y el coeficiente Hall, por lo que proporcionan información sobre su conductividad eléctrica, concentración de portadores de carga y movilidad.
A estos dispositivos de prueba pertenece el Linseis LSR-1, LSR-3 (medidores de Seebeck y resistividad Linseis) y a la serie serie HCS (Sistema de Caracterización Hall).
Resumen y Conclusión
En resumen, los WBGS suelen tener velocidades de electrones libres elevadas, que pueden afectar significativamente al rendimiento de los dispositivos electrónicos. La banda prohibida más ancha les permite funcionar a voltajes, frecuencias y temperaturas más elevados, además de manejar niveles de potencia más altos en condiciones normales de funcionamiento.
Son muy valiosos en una amplia gama de aplicaciones, como las militares, la radio, la conversión de potencia y la iluminación de estado sólido.
Cita:
- Josh Perry, Refrigeración de materiales de banda ancha en electrónica de potencia 15 de junio de 2018.
- Saravanan Yuvaraja, Vishal Khandelwal, Xiao Tang y Xiaohang Li, Circuitos integrados
basados en semiconductores de banda ancha. Chip 2, 100072 (2023). Maria Katsikini, Materiales de Brecha de Banda Ancha, Espectroscopia de Absorción de Rayos X de Semiconductores, 2015, Volumen 190. ISBN: 978-3-662-44361-3. Yuan Qin, etal. Gestión térmica y embalaje de dispositivos de potencia de banda prohibida ancha y ultraancha: revisión y perspectiva J. Phys. D: Appl. Phys. 56 (2023) 093001 (23pp). - Anushree Ramanath- un artículo técnico sobre Aplicaciones de los Dispositivos de Banda Ancha 30 de diciembre de 2021.
