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Dispositivo semiconductor de potencia

Un dispositivo semiconductor de potencia es un dispositivo semiconductor que se utiliza como interruptor o rectificador en electrónica de potencia (por ejemplo, en una fuente de...

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Un dispositivo semiconductor de potencia es un dispositivo semiconductor que se utiliza como interruptor o rectificador en electrónica de potencia (por ejemplo, en una fuente de alimentación conmutada ). Este tipo de dispositivo también se denomina dispositivo de potencia o, cuando se utiliza en un circuito integrado , circuito integrado de potencia (CI) .

Un dispositivo semiconductor de potencia se suele utilizar en modo de conmutación (es decir, está encendido o apagado) y, por lo tanto, su diseño está optimizado para este uso; por lo general, no debe utilizarse en funcionamiento lineal. Los circuitos de potencia lineales son muy comunes en reguladores de voltaje, amplificadores de audio y amplificadores de radiofrecuencia.

Los semiconductores de potencia se encuentran en sistemas que suministran desde unas pocas decenas de milivatios para un amplificador de auriculares, hasta alrededor de un gigavatio en una línea de transmisión de corriente continua de alto voltaje .

Historia

El primer dispositivo electrónico utilizado en circuitos de potencia fue el rectificador electrolítico ; una versión temprana fue descrita por el experimentador francés A. Nodon en 1904. Estos rectificadores fueron brevemente populares entre los primeros experimentadores de radio, ya que podían improvisarse con láminas de aluminio y productos químicos domésticos. Tenían bajos voltajes de resistencia y una eficiencia limitada. [ 1 ]

Los primeros dispositivos semiconductores de potencia de estado sólido fueron rectificadores de óxido de cobre, utilizados en los primeros cargadores de baterías y fuentes de alimentación para equipos de radio, anunciados en 1927 por LO Grundahl y PH Geiger. [ 2 ]

El primer dispositivo semiconductor de potencia de germanio apareció en 1952 con la introducción del diodo de potencia por RN Hall . Tenía una capacidad de bloqueo de voltaje inverso de 200 V y una corriente nominal de 35 A.  

Los transistores bipolares de germanio con capacidades de manejo de potencia sustanciales (corriente de colector de 100 mA) se introdujeron alrededor de 1952; con esencialmente la misma construcción que los dispositivos de señal, pero mejor disipación de calor. La capacidad de manejo de potencia evolucionó rápidamente, y para 1954 estaban disponibles los transistores de unión de aleación de germanio con disipación de 100 vatios. Todos estos eran dispositivos de frecuencia relativamente baja, utilizados hasta alrededor de 100  kHz, y hasta 85 grados Celsius de temperatura de unión. [ 3 ] Los transistores de potencia de silicio no se fabricaron hasta 1957, pero cuando estuvieron disponibles tenían mejor respuesta en frecuencia que los dispositivos de germanio y podían operar hasta 150 °C de temperatura de unión.

El tiristor apareció en 1957. Es capaz de soportar voltajes de ruptura inversa muy altos y también puede conducir corrientes elevadas. Sin embargo, una desventaja del tiristor en circuitos de conmutación es que, una vez que se encuentra en estado de conducción, no se puede apagar mediante control externo, ya que el apagado del tiristor es pasivo; es decir, se debe desconectar la alimentación del dispositivo. En 1960 se introdujeron tiristores que sí se podían apagar, denominados tiristores de apagado por puerta (GTO). [ 4 ] Estos superan algunas limitaciones del tiristor común, ya que se pueden encender o apagar mediante una señal aplicada.

MOSFET de potencia

El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Las generaciones de transistores MOSFET permitieron a los diseñadores de potencia alcanzar niveles de rendimiento y densidad imposibles con transistores bipolares. [ 11 ] Debido a las mejoras en la tecnología MOSFET (inicialmente utilizada para producir circuitos integrados ), el MOSFET de potencia estuvo disponible en la década de 1970.

En 1969, Hitachi presentó el primer MOSFET de potencia vertical, [ 12 ] que más tarde se conocería como VMOS (MOSFET de ranura en V). [ 13 ] A partir de 1974, Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony y Toshiba comenzaron a fabricar amplificadores de audio con MOSFET de potencia. [ 14 ] International Rectifier presentó un MOSFET de potencia de 25  A y 400  V en 1978. [ 15 ] Este dispositivo permite operar a frecuencias más altas que un transistor bipolar, pero está limitado a aplicaciones de bajo voltaje.

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) se desarrolló en la década de 1980 y se popularizó en la década de 1990. Este componente combina la capacidad de manejo de potencia del transistor bipolar con las ventajas del control de puerta aislada del MOSFET de potencia.

Dispositivos comunes

Algunos dispositivos de potencia comunes son el MOSFET de potencia , el diodo de potencia , el tiristor y el IGBT . El diodo de potencia y el MOSFET de potencia funcionan con principios similares a sus contrapartes de baja potencia, pero pueden conducir una mayor cantidad de corriente y, por lo general, pueden soportar una tensión de polarización inversa mayor en estado apagado .

A menudo se realizan cambios estructurales en un dispositivo de potencia para acomodar una mayor densidad de corriente, una mayor disipación de potencia y/o un mayor voltaje de ruptura inversa. La gran mayoría de los dispositivos de potencia discretos (es decir, no integrados) se construyen con una estructura vertical, mientras que los dispositivos de pequeña señal emplean una estructura lateral. Con la estructura vertical, la corriente nominal del dispositivo es proporcional a su área, y la capacidad de bloqueo de voltaje se logra en la altura del chip. Con esta estructura, una de las conexiones del dispositivo se ubica en la parte inferior del chip semiconductor .

El MOSFET de potencia es el dispositivo de potencia más común en el mundo, debido a su bajo consumo de energía en la puerta, su rápida velocidad de conmutación y su avanzada capacidad de paralelismo. [ 16 ] Tiene una amplia gama de aplicaciones en electrónica de potencia , como dispositivos de información portátiles , circuitos integrados de potencia, teléfonos celulares , computadoras portátiles y la infraestructura de comunicaciones que permite Internet . [ 17 ] A partir de 2010, el MOSFET de potencia representa la mayor parte (53%) del mercado de transistores de potencia, seguido por el IGBT (27%), luego el amplificador de RF (11%) y luego el transistor de unión bipolar (9%). [ 18 ]

Dispositivos de estado sólido

Clasificaciones

Figura 1: Familia de dispositivos de potencia, que muestra los principales interruptores de potencia.

Un dispositivo de potencia puede clasificarse en una de las siguientes categorías principales (véase la figura 1):

  • Un dispositivo de dos terminales (por ejemplo, un diodo ), cuyo estado depende completamente del circuito de alimentación externo al que está conectado.
  • Un dispositivo de tres terminales (por ejemplo, un triodo ), cuyo estado depende no solo de su circuito de alimentación externo, sino también de la señal en su terminal de control (este terminal se conoce como puerta o base ).
  • Un dispositivo de cuatro terminales (por ejemplo, un interruptor controlado de silicio – SCS). El SCS es un tipo de tiristor que tiene cuatro capas y cuatro terminales llamados ánodo, compuerta del ánodo, compuerta del cátodo y cátodo. Los terminales están conectados a la primera, segunda, tercera y cuarta capa respectivamente. [ 23 ]

Otra clasificación es menos obvia, pero tiene una fuerte influencia en el rendimiento del dispositivo:

  • Un dispositivo de portadores mayoritarios (por ejemplo, un diodo Schottky, un MOSFET, etc.); este utiliza solo un tipo de portadores de carga.
  • Un dispositivo de portadores minoritarios (por ejemplo, un tiristor, un transistor bipolar, un IGBT, etc.); este utiliza tanto portadores mayoritarios como minoritarios (es decir, electrones y huecos de electrones ).

Un dispositivo con portadores mayoritarios es más rápido, pero la inyección de carga de los dispositivos con portadores minoritarios permite un mejor rendimiento en estado activo.

Diodos

Un diodo ideal debería tener las siguientes características:

  • Cuando está polarizado directamente , el voltaje entre los terminales del diodo debe ser cero, independientemente de la corriente que circule a través de él (estado de conducción).
  • Cuando está polarizado inversamente , la corriente de fuga debe ser cero, independientemente del voltaje (estado de apagado).
  • La transición (o conmutación) entre el estado encendido y el estado apagado debe ser instantánea.

En realidad, el diseño de un diodo implica un compromiso entre el rendimiento en estado activo, estado inactivo y conmutación. De hecho, la misma área del dispositivo debe soportar la tensión de bloqueo en estado inactivo y permitir el paso de corriente en estado activo; dado que los requisitos para ambos estados son completamente opuestos, un diodo debe optimizarse para uno de ellos, o bien debe disponerse de tiempo para conmutar de un estado a otro (es decir, debe reducirse la velocidad de conmutación).

Estas compensaciones son las mismas para todos los dispositivos de potencia; por ejemplo, un diodo Schottky tiene una excelente velocidad de conmutación y rendimiento en estado activo, pero una alta corriente de fuga en estado inactivo. Por otro lado, un diodo PIN está disponible comercialmente con diferentes velocidades de conmutación (lo que se denomina rectificadores "rápidos" y "ultrarápidos"), pero cualquier aumento de velocidad se asocia necesariamente con un menor rendimiento en estado activo.

Interruptores

Figura 2: Dominios de corriente/tensión/frecuencia de conmutación de los principales interruptores de la electrónica de potencia.

También existen compensaciones entre las especificaciones de voltaje, corriente y frecuencia para un interruptor. De hecho, cualquier semiconductor de potencia se basa en una estructura de diodo PIN para mantener el voltaje; esto se puede observar en la figura 2. El MOSFET de potencia tiene las ventajas de un dispositivo de portadores mayoritarios, por lo que puede alcanzar una frecuencia de operación muy alta, pero no puede utilizarse con altos voltajes; dado que se trata de un límite físico, no se espera ninguna mejora en el diseño de un MOSFET de silicio con respecto a sus especificaciones de voltaje máximo. Sin embargo, su excelente rendimiento en aplicaciones de bajo voltaje lo convierte en el dispositivo de elección (de hecho, la única opción, actualmente) para aplicaciones con voltajes inferiores a 200  V. Al colocar varios dispositivos en paralelo, es posible aumentar la capacidad de corriente de un interruptor. El MOSFET es particularmente adecuado para esta configuración, ya que su coeficiente térmico de resistencia positivo tiende a generar un equilibrio de corriente entre los dispositivos individuales.

El IGBT es un componente reciente, por lo que su rendimiento mejora constantemente a medida que evoluciona la tecnología. Ya ha sustituido por completo al transistor bipolar en aplicaciones de potencia; existe un módulo de potencia en el que varios dispositivos IGBT se conectan en paralelo, lo que lo hace atractivo para niveles de potencia de hasta varios megavatios, lo que amplía aún más el límite en el que los tiristores y los GTO se convierten en la única opción. Básicamente, un IGBT es un transistor bipolar controlado por un MOSFET de potencia; tiene las ventajas de ser un dispositivo de portadores minoritarios (buen rendimiento en estado activo, incluso para dispositivos de alto voltaje), con la alta impedancia de entrada de un MOSFET (puede activarse o desactivarse con muy poca potencia).

La principal limitación del IGBT para aplicaciones de bajo voltaje es la elevada caída de voltaje que presenta en estado activo (de 2 a 4  V). En comparación con el MOSFET, la frecuencia de operación del IGBT es relativamente baja (generalmente no superior a 50  kHz), debido principalmente a un problema durante el apagado conocido como cola de corriente : la lenta disminución de la corriente de conducción durante el apagado se debe a la lenta recombinación de un gran número de portadores que inundan la región de deriva gruesa del IGBT durante la conducción. El resultado es que la pérdida de conmutación durante el apagado de un IGBT es considerablemente mayor que la pérdida durante el encendido. Generalmente, en las hojas de datos, la energía de apagado se menciona como un parámetro medido; este valor debe multiplicarse por la frecuencia de conmutación de la aplicación prevista para estimar la pérdida de apagado.

A niveles de potencia muy elevados, todavía se suele utilizar un dispositivo basado en tiristores (por ejemplo, un SCR , un GTO, un MCT , etc.). Este dispositivo se puede activar mediante un pulso generado por un circuito de control, pero no se puede desactivar eliminando dicho pulso. Un tiristor se apaga en cuanto deja de circular corriente a través de él; esto ocurre automáticamente en un sistema de corriente alterna en cada ciclo, o requiere un circuito con los medios necesarios para desviar la corriente alrededor del dispositivo. Tanto los MCT como los GTO se han desarrollado para superar esta limitación y se utilizan ampliamente en aplicaciones de distribución de energía eléctrica .

Algunas aplicaciones de los semiconductores de potencia en modo conmutado incluyen atenuadores de lámparas , fuentes de alimentación conmutadas , cocinas de inducción , sistemas de encendido para automóviles y accionamientos de motores eléctricos de CA y CC de todos los tamaños.

Amplificadores

Los amplificadores operan en la región activa, donde tanto la corriente como el voltaje del dispositivo son distintos de cero. En consecuencia, la potencia se disipa continuamente y su diseño está condicionado por la necesidad de eliminar el exceso de calor del dispositivo semiconductor. Los amplificadores de potencia suelen identificarse por el disipador de calor utilizado para su montaje. Existen diversos tipos de amplificadores semiconductores de potencia, como el transistor de unión bipolar, el transistor de efecto de campo MOS vertical, entre otros. Los niveles de potencia de los amplificadores individuales alcanzan cientos de vatios, y los límites de frecuencia llegan hasta las bandas de microondas bajas . Un amplificador de potencia de audio completo, con dos canales y una potencia nominal del orden de decenas de vatios, puede integrarse en un pequeño circuito integrado, requiriendo solo unos pocos componentes pasivos externos para su funcionamiento. Otra aplicación importante de los amplificadores en modo activo se encuentra en las fuentes de alimentación reguladas lineales, donde un amplificador se utiliza como regulador de voltaje para mantener la tensión de carga en el valor deseado. Si bien este tipo de fuente de alimentación puede ser menos eficiente energéticamente que una fuente de alimentación conmutada , su sencillez de aplicación las hace populares, especialmente en rangos de corriente de hasta aproximadamente un amperio.

Parámetros

Los disipadores de calor y los dispositivos de alimentación suelen ir conectados para eliminar, al menos en parte, el calor generado por el funcionamiento de dichos dispositivos.
El chip semiconductor de potencia de un dispositivo de tres terminales (IGBT, MOSFET o BJT). Dos contactos están en la parte superior del chip, el restante está en la parte posterior.
  1. Tensión de ruptura : A menudo, existe una compensación entre la tensión de ruptura nominal y la resistencia de encendido, ya que aumentar la tensión de ruptura mediante la incorporación de una región de deriva más gruesa y con menor dopaje conlleva una mayor resistencia de encendido.
  2. Resistencia de encendido : Las corrientes nominales más altas reducen la resistencia de encendido debido a la mayor cantidad de celdas en paralelo. Esto aumenta la capacitancia total y disminuye la velocidad.
  3. Tiempos de subida y bajada : El tiempo que tarda en cambiar entre el estado encendido y el estado apagado.
  4. Área de operación segura : Se trata de una consideración relacionada con la disipación térmica y el "enganche".
  5. Resistencia térmica : Este es un parámetro a menudo ignorado, pero de suma importancia para el diseño práctico. Los semiconductores no funcionan bien a temperaturas elevadas; al conducir grandes corrientes, los dispositivos semiconductores de potencia se calientan inevitablemente. Por lo tanto, estos dispositivos suelen requerir refrigeración continua. El diseño del encapsulado y los disipadores de calor eliminan el calor de los dispositivos semiconductores conduciéndolo al entorno externo. Generalmente, los dispositivos de alta corriente tienen grandes superficies de chip y encapsulado, y menor resistencia térmica.

Investigación y desarrollo

Embalaje

La función del embalaje es:

  • conectar un chip al circuito externo.
  • Proporcionar una forma de eliminar el calor generado por el dispositivo.
  • Proteger el chip del entorno externo (humedad, polvo, etc.).

Muchos de los problemas de fiabilidad de un dispositivo eléctrico están relacionados con temperaturas excesivas o fatiga debida a ciclos térmicos. Actualmente se están realizando investigaciones sobre los siguientes temas:

También se están llevando a cabo investigaciones sobre cuestiones eléctricas, como la reducción de la inductancia parásita del embalaje; esta inductancia limita la frecuencia de funcionamiento, ya que genera pérdidas durante la conmutación.

Un MOSFET de bajo voltaje también está limitado por la resistencia parásita de su encapsulado, ya que su resistencia intrínseca en estado activo es tan baja como uno o dos miliohmios.

Algunos de los tipos más comunes de encapsulados de semiconductores de potencia incluyen TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, D 2 Pak, etc.

Mejora de las estructuras

El diseño del IGBT aún está en desarrollo y se espera que proporcione aumentos en los voltajes de operación. En el extremo de alta potencia de la gama, el tiristor controlado por MOS es un dispositivo prometedor. Se logra una mejora importante con respecto a la estructura MOSFET convencional mediante el empleo del principio de equilibrio de carga de superunión: esencialmente, permite que la región de deriva gruesa de un MOSFET de potencia esté fuertemente dopada, reduciendo así la resistencia eléctrica al flujo de electrones sin comprometer el voltaje de ruptura. Esto se yuxtapone con una región que está dopada de manera similar con la polaridad opuesta de los portadores ( huecos ); estas dos regiones similares, pero dopadas opuestamente, cancelan efectivamente su carga móvil y desarrollan una "región agotada" que soporta el alto voltaje durante el estado apagado. Por otro lado, durante el estado encendido, el mayor dopaje de la región de deriva permite un fácil flujo de portadores, reduciendo así la resistencia de encendido. Se han desarrollado dispositivos comerciales, basados ​​en este principio de superunión, por empresas como Infineon (productos CoolMOS) e International Rectifier (IR).

semiconductores de banda prohibida ancha

Se espera que el gran avance en dispositivos semiconductores de potencia provenga de la sustitución del silicio por un semiconductor de banda prohibida ancha. Actualmente, el carburo de silicio (SiC) se considera el más prometedor. Ya está disponible comercialmente un diodo Schottky de SiC con una tensión de ruptura de 1200 V, así como un JFET  de 1200  V. Dado que ambos son dispositivos de portadores mayoritarios, pueden operar a alta velocidad. Se está desarrollando un dispositivo bipolar para tensiones más altas (hasta 20 kV). Entre sus ventajas, el carburo de silicio puede operar a una temperatura más elevada (hasta 400 °C) y tiene una menor resistencia térmica que el silicio, lo que permite una mejor refrigeración.  

Véase también

Notas y referencias

Notas

  1. ↑ Bernard Finn, Exposing Electronics , CRC Press, 2000 ISBN 9058230562páginas 14–15
  2. ↑ Peter Robin Morris, Historia de la industria mundial de semiconductores , IET 1990 ISBN 0863412270página 18
  3. ↑ Peter Robin Morris, Historia de la industria mundial de semiconductores , IET 1990 ISBN 0863412270páginas 39–41
  4. ↑ H. van Ligten, D. Navon, "Desconexión básica de interruptores GTO", Actas de la Convención IRE Wescon, Parte 3 sobre Dispositivos Electrónicos, págs. 49–52, agosto de 1960.
  5. ↑ Huff, Howard; Riordan, Michael (1 de septiembre de 2007). "Frosch y Derick: cincuenta años después (prólogo)" . The Electrochemical Society Interface . 16 (3): 29. doi : 10.1149/2.F02073IF . ISSN 1064-8208 . 
  6. ↑ Frosch, CJ; Derick, L (1957). "Protección de superficie y enmascaramiento selectivo durante la difusión en silicio" . Journal of the Electrochemical Society . 104 (9): 547. doi : 10.1149/1.2428650 .
  7. ↑ KAHNG, D. (1961). "Dispositivo de superficie de dióxido de silicio-silicio" . Memorando técnico de los Laboratorios Bell : 583–596 . doi : 10.1142/9789814503464_0076 . ISBN 978-981-02-0209-5.{{cite journal}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )
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  9. ↑ Ligenza, JR; Spitzer, WG (1960). "Los mecanismos de oxidación del silicio en vapor y oxígeno" . Journal of Physics and Chemistry of Solids . 14 : 131–136 . doi : 10.1016/0022-3697(60)90219-5 .
  10. ↑ Lojek, Bo (2007). Historia de la ingeniería de semiconductores . Springer Science & Business Media . pág. 120. ISBN  9783540342588.
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  17. ↑ Whiteley, Carol; McLaughlin, John Robert (2002). Tecnología, emprendedores y Silicon Valley . Instituto para la Historia de la Tecnología. ISBN 9780964921719Estos componentes electrónicos activos, o productos semiconductores de potencia, de Siliconix se utilizan para conmutar y convertir energía en una amplia gama de sistemas, desde dispositivos de información portátiles hasta la infraestructura de comunicaciones que permite Internet. Los MOSFET de potencia de la compañía —pequeños interruptores de estado sólido, o transistores de efecto de campo de óxido metálico semiconductor— y los circuitos integrados de potencia se utilizan ampliamente en teléfonos móviles y ordenadores portátiles para gestionar la energía de la batería de forma eficiente.
  18. ↑ "El mercado de transistores de potencia superará los 13.000 millones de dólares en 2011" . IC Insights . 21 de junio de 2011. Archivado del original el 3 de julio de 2011. Consultado el 15 de octubre de 2019 .
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Referencias

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  • Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Tursky; Tobias Reimann (2010), Applikationshandbuch 2015 (PDF) (en alemán) (2.  ed.), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-83-3
  • Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Tursky; Tobías Reimann (2015). Manual de aplicación 2015 (PDF) (2.  ed.). ISLA Verlag. ISBN 978-3-938843-83-3.
  • Una revisión sobre dispositivos semiconductores de potencia
  • Seminario interactivo de electrónica de potencia (iPES)