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DISPOSITIVOS DE CARBONETO DE SILÍCIO NA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA: UMA REVISÃO

DIEGO A. ACEVEDO BUENO1, EDISON R. CABRAL DA SILVA

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1Mestrando no Programa de Pós-Graduacão em Engenharia Elétrica – PPgEE – COPELE – UFCG Laboratório de Eletrônica Indusrial e Acionamento de Máquinas

2Departamento 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 com-mercial 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 sub-stitute in high power and high temperature applications in the mid-term of silicon, due to the fact that the diamond still presents com-plex 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 disposi-tivos 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 po-tência.

1 Introdução

O silício é a matéria prima mais utilizada no de-senvolvimento de semicondutores. A perícia no ma-nejo 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, so-mado ao fato da extrema abundância do silício, faz deste material a base do mercado eletrônico mundi-al. No entanto, Os limites físicos do silício têm aber-to as portas para o estudo de um grupo de novos elementos e compostos, chamados de semiconduto-res de banda larga (WBS, wide band semiconduc-tors). Alguns dos mais conhecidos WBS são: o Car-boneto 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 re-dução de perdas, ao incremento da velocidade de comutação, etc. Estas melhoras são baseadas no fato que os semicondutores de banda larga têm uma me-nor concentração de portadores intrínsecos (4 – 37 vezes), maior campo elétrico de ruptura (7 – 20 ve-zes), maior condutividade térmica (3 – 13 vezes) e

maior velocidade de deriva de elétrons saturados (2 – 2,7 vezes) do que o silício (Elasser & Chow, 2002).

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 poli-tipos que maior atenção tem recebido e, portanto, que tem mais dispositivos desenvolvidos a nível co-mercial (Chow, 2000).

Na Tabela 1, são comparados alguns dos parâmetros de maior relevância tanto para os principais semi-condutores para aplicações de eletrônica de potência: (i) energia de gap (Eg) em eV a 300 K, (ii) concen-tração de portadores intrínsecos (ni) em cm-3, (iii) permissividade relativa (εr), (iv) campo elétrico crí-tico (EC) em V/cm, (v) condutividade térmica (λ) em W/cm.K, (vi) velocidade de deriva de elétrons satu-rados (vsat) em cm/s, e (vii) mobilidade de elétron (μn) em cm2/V.s.

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

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Tabela 1. Comparação de parâmetros de semicondutores. (Chow, 2000)

Parâmetro Si 4H-SiC

6H-SiC

GaN

Dia-

mante

Eg (eV) 1,1 3,26 3,0 3,39 5,45

ni (cm-3)

1,5×

1010

8,2×

10-9

2,3×

10-6

1,9×

10-10

1,6×

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

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 dificul-dades para obter um crescimento cristalino de quali-dade 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 com-paração com o Silício, ainda existem sérias dificul-dades 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 proces-sos 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 micro-tubagem (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 mi-crotubagens de somente 0,75 cm-2 ou mesmo densi-

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 desti-nados a aplicações de alta potência.

3 Dispositivos para eletrônica de potência

Tendo tornado claro o impacto do SiC na pró-xima geração de dispositivos, serão discutidos, a seguir, alguns dos dispositivos de eletrônica de po-tência fabricados a partir deste composto e o rendi-mento atual dos mesmos.

3.1 Retificadores de potência

Em 1998, os resultados experimentais demons-traram um avanço na redução das perdas e na velo-cidade de comutação dos diodos de SiC em relação aos diodos de silício. Isto deu início ao desenvolvi-mento, por novas companhias, de diferentes tipos de retificador SiC.

Figura 1. Características de comutação de um diodo Schottky cons-truído 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 Schott-ky, o qual possui uma corrente reversa significati-vamente menor do que a do diodo de Si. Com isto, as perdas são inferiores e eliminam quase que com-pletamente 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 respos-ta 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 retifi-cadores híbridos.

3.1.1 Diodo de barreira Schottky (SBD)

Este diodo permite altas velocidades de comuta-ção com uma recuperação reversa sem corrente re-versa e sem sobretensão transitória na entrada em condução, devido ao fato de que o transporte da cor-rente em direto é feita por portadores majoritários. Ele tem sérios problemas de corrente de fuga eleva-da, baixa tensão de bloqueio e queda de tensão direta com o aumento da temperatura (Millán, 2007). Po-rém, em (Tsuji et al., 2012) é relatado um avanço significativo no ultimo problema mediante a melho-ra 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 fa-lhas em testes de longa duração. Além disso, os SBD de SiC de 600 – 1200 V têm uma resistência de con-dução 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 en-trou 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, corren-te 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.

3.1.2 Diodos PiN

Estes diodos trabalham bem com tensões eleva-das (> 4,5 kV) e apresentam baixas corrente de fuga, mas têm tempos de resposta de comutação elevados. Em 2011, foram obtidos resultados que demonstram

um futuro promissor destes dispositivos, pois se al-cançou 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 Schott-ky (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 bai-xas, 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).

3.2 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 transis-tores em carboneto de silício e seus avanços mais recentes.

3.2.1 MOSFET

O transistor MOSFET de SiC é um dos disposi-tivos no qual se deposita uma grande esperança es-pecialmente para aplicações de potência elevada, devido à sua menor resistência em estado de condu-ção, em relação ao MOSFET Si (Figura 2), sua mai-or velocidade de comutação e sua capacidade de ope-ração 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.


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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 oxi-do 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 pro-blema 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, origi-nando uma blindagem, mesmo contra os fortes cam-pos 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 com-petitivo em relação ao fabricado com Si (Kaminski & Hilt, 2012). Hoje há fabricantes oferecem produ-tos 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

do dispositivo: a lateral e a vertical, sendo esta últi-ma a mais usada para aplicações de potência. Além disso, existe outra classificação complementar base-ada 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 ofe-rece uma baixa resistência de condução, em compa-ração 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 algu-mas 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 bá-sicas 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 es-trangulamento (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 máxi-ma 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 (Semi-south) que permite operação normalmente desligada, (ii) de trincheira implantada com operação normal-mente 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 caracterís-tica 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 aumen-to 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).


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3.2.3 BJT de SiC ou Super Junction Transistor (SJT)

O BJT de SiC exibe um conjunto de caracterís-ticas 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 tempe-raturas, devido à ausência do oxido na porta, suporta altas tensões de bloqueio e não tem ruptura secundá-ria 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 configura-ção 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 resis-tência de condução, com o tempo.

3.2.4 IGBT

O IGBT é o dispositivo em silício com maior presença no mercado para aplicações de potência, tendo um circuito disparo controlado por tensão bas-tante simples, baixas perdas de comutação e fre-quência 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 de-monstrado bom rendimento, pelas dificuldades exis-tentes 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 mobi-lidade de canal superior ao de canal horizontal, mas requer um projeto da região da porta. Embora pare-cesse 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 apro-ximadamente 6 V e 6,5 V para uma corrente de 20 A com temperaturas de 25°C e 150°C, respectivamen-te. 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-

zontais também têm um interessante nicho, especi-almente 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 ruptu-ra 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 aplica-ções 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.

3.2.5 MGT

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 me-diante a inclusão de outro transistor MOSFET, de forma monolítica, esta ultima variante foi apresenta-da em 1999 usando 6H-SiC, mas seu desenvolvi-mento 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 en-capsulamento 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 me-lhora o BVCEO e a área de operação segura. No en-tanto, 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).

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 ten-sões pelo seu elevado Ec (Q. Zhang et al., 2011).

Com respeito ao seu correspondente de silício, o GTO de SiC concede os seguintes benefícios: redu-ção do numero de componentes e da complexidade, peso e volume do sistema; aumento na frequência de chaveamento em um fator de 10; e eficiente compor-tamento 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 propor-cionalmente ao intervalo de tempo.

Figura 3. Capacidade de bloqueio gatilho-catodo de um GTO de 12

kV de um cm2 desenvolvido em 4H-SiC.

Figura 4. Comportamento da curva V-I com o transcurso do tempo.

Não obstante, esforços feitos no crescimento das epicamadas espessas permitiram corrigir esta situa-ção. As estratégias adotadas para fazer frente a este problema resultaram sendo efetivas e conseguiram manter a queda de tensão direta numa faixa de ope-ração aceitável mesmo depois de 1000 horas, como mostra a Figura 4 (Cheng et al., 2012; Q. Zhang et al., 2011).

3.3.2 Emitter Turn-Off thyristor ETO

O ETO surgiu em 1998 como um dispositivo para solucionar os problemas do GTO, especifica-mente 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. Por-tanto, 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 dis-positivo 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 au-menta significativamente a queda de tensão, man-tendo 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 5. ETO tipo p. a) Circuito equivalente. b) Símbolo.


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Tabela 2. Tensão de ruptura em V para produtos comerciais de dife-rentes 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

Recentemente, foi apresentado um p-ETO de SiC com tensão de bloqueio superior a 13 kV (Rezaei et al., 2014). No entanto, na literatura só se encontra-ram simulações de estruturas com tensão de bloqueio 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 es-truturas apresentadas neste trabalho, resumem-se na Tabela 2 as tensões de ruptura dos dispositivos co-merciais fabricados pelas empresas mais reconheci-dos do setor de dispositivos em SiC.

4 Conclusão

O ritmo de desenvolvimento de dispositivos em SiC tem permitido iniciar uma transição nas aplica-ções de média e alta tensão, já que este material apresenta maior densidade de potência e confiabili-dade, 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 resis-tências 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 substitu-to 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 provavel-mente revolucionará os sistemas de transmissão de

alta tensão tanto CA como CC por sua capacidade de trabalhar a alta temperatura e suportar tensões ele-vadas, reduzindo o numero de módulos empilhados.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à FAPESQ-PB pelo apoio financeiro que tornou possí-vel a realização deste trabalho.

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