O que significa Wide Bandgap e Ultra-Wide Bandgap (ART4632)

Novas tecnologias para a fabricação de dispositivos semicondutores têm sido criadas ultimamente com resultados que devem ser levados em conta pelos projetistas. Duas novas tecnologias tem sido destaque pelo uso de novos materiais, a Wide Bandgap e a Ultra-Wide Bandgap, abreviadas por WGB e UWBG. Neste artigo explicamos o que representam os semicondutores desta nova tecnologia e suas aplicações.

Este artigo foi escolhido e publicado na edição de número 4 da Revista INCB Eletrônica - Clique aqui e leia a revista completa

Começamos por explicar o que significa Bandgap ou BW, termo em inglês para Banda Proibida, como é mais conhecido na nossa terminologia técnica.

Vamos partir incialmente das propriedades dos átomos dos materiais comumente usados em eletricidade e eletrônica quando eles se encontram isolados, ou seja, começamos por analisar os átomos individualmente.

Conforme sabemos, os elétrons giram em torno dos átomos em órbitas bem estabelecidas ou camadas que representam diversos níveis de energia, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1 – As camadas e os números de elétrons
Figura 1 – As camadas e os números de elétrons

 

A essas camadas podemos associar níveis de energia que dependem do material. Conforme podemos ver pela figura 2, os níveis de energia são medidos em eletron-Volts ou eV.

 

Figura 2 – os níveis de energia do mercúrio e do hidrogênio
Figura 2 – os níveis de energia do mercúrio e do hidrogênio

 

 

Veja que, quanto mais próximo de núcleo, maior é o nível de energia. Quando ele chega a zero, o elétron pode se desprender do átomo. Ocorre a ionização.

Observe que entre os níveis permitidos de energia das diversas camadas existem intervalos ou “gaps” em que os elétrons não podem ficar. Existe, portanto, um intervalo de banda, ou bandgap em que não podem existir elétrons. Em português, chamamos de “banda proibida”.

Quando os átomos do material formam uma estrutura cristalina, ocorre uma interação entre eles. Elétrons de um átomo são compartilhados com outro adjacente, mas de modo que os níveis de energia sejam ligeiramente diferentes.

Temos como resultado desse fenômeno uma expansão da banda proibida ou bandgap para os elétrons mais externos, ou seja, os elétrons de valência.

Mas, o importante para a eletrônica é que essa expansão da banda proibida ocorre de formas diferentes determinando assim a natureza elétrica do material. Ela determina se o material será um condutor, um semicondutor ou um isolante.

É claro que essa variação das dimensões da região proibida não é brusca determinando uma transição entre condutores e isolantes. Ela é contínua e não é válida apenas para materiais puros, ou seja, formados por materiais de um único tipo. Ela é válida para ligas, possibilitando assim que materiais semicondutores dopados com elementos diferentes tenham propriedades elétricas diferentes.

 

Figura 3 – As bandas conforme os materiais
Figura 3 – As bandas conforme os materiais

 

 

Para nós é importante saber que existem então duas regiões em que os elétrons podem ficar. A banda de condução, quando os elétrons podem ser liberados e se movimentar, dando origem a uma corrente ou ionização e uma banda de valência.

Na temperatura ambiente, uma boa quantidade de elétrons pode atravessar a banda proibida e entrar na banda de condução, tornando assim o material condutor. Como essa banda é muito pequena nos materiais condutores, isso explica o porquê de eles terem muitos elétrons disponíveis para conduzir uma corrente.

No silício, a energia necessária ao elétron para atravessar a banda proibida é de 1,1 eV e para o germânio 0,67 eV. O germânio tem por isso, maior número de portadores de carga disponíveis que o silício. Veja que para os isolantes a banda proibida é muito maior.

Quando adicionamos impurezas ao material, a banda proibida se altera, dotando os materiais de propriedades diferentes quanto a condução. Da mesma forma, ligas de dois materiais também têm propriedades diferentes.

Sabemos que a adição de impurezas muda os níveis de energia e, portanto, a forma como os elétrons podem se movimentar, dando origem aos materiais extrínsecos do tipo N e P, de vital importância para os dispositivos eletrônicos.

O resultado é que a presença de materiais doadores e receptores de elétrons nos materiais semicondutores faz com que a banda proibida se altere

 

WBG e UWBG

Com materiais semicondutores comuns como o silício, o germânio e eventualmente outros temos bandgaps ou bandas proibidas que dotam os componentes formados por junções de propriedades bem conhecidas de todos os projetistas.

As junções de germânio precisam de pelo menos 0,2 V para conduzir e para as junções de silício temos algo em torno de 0,7 V.

Mas, novos materiais semicondutores estão sendo criados, possibilitando o aparecimento de novas gerações de componentes semicondutores.

Numa geração inicial de materiais semicondutores com bandas proibidas mais largas, como o SiC (Carboneto de Silício) que tem uma banda proibida de 3,3 V e o GaN (Nitreto de Gálio) com banda de 3,4 V, além de outros como Óxido de Zinco, Diamante permitem a elaboração de componentes de potência muito menores e mais eficientes do que os equivalentes anteriores. Na figura 4 a largura de banda proibida desses materiais.

 

Figura 4 – Banda proibida de semicondutores WBG
Figura 4 – Banda proibida de semicondutores WBG

 

 

Esses componentes são denominados de Banda Proibida Larga ou Wide Bandgap, abreviadamente WBG.

Os transistores de comutação de SiC já são comuns, com a disponibilidade de uma ampla variedade de tipos de potência, como já abordamos em diversos componentes sugeridos no site (digitar SiC na busca do site).

Mas, podemos melhorar ainda mais o desempenho dos semicondutores com a utilização de materiais com bandas proibidas ainda mais largas. São os semicondutores de Ultra Wide Bandgap ou UWBG.

São classificados como semicondutores UWBG os materiais que possuam bandas proibidas maiores que 4 eV.

Nas pesquisas atuais nesse grupo temos materiais como o Óxido de Gálio (Ga2O3) o Nitreto dde Boro Cúbico (c-BN) e o Nitreto de Alumínio e Gálio (AlGaN).

Na figura 5 mostramos como podemos obter com o Gálio uma banda proibida mais larga na composição com o Oxigênio, criando-se assim um semiconductor UWBG.

 

Figura 5 – UWBG com o Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Figura 5 – UWBG com o Ga2O3

 

 

Vantagens

As características dos semicondutores WBG permitem que eles sejam usados com vantagens em muitas aplicações.

Por exemplo, eles possibilitam maior rendimento na conversão de energia, o que é importante no caso dos semicondutores de potência. As perdas ôhmicas são menores.

Eles podem operar com tensões maiores e têm uma faixa de frequências de operação melhor entre 1 kHz e 1 MHz. A operação em tensões maiores se deve ao fato de que tensão de ruptura inversa aumenta com uma largura de banda proibida maior.

Dependendo o material usado, como o Gálio por exemplo, os semicondutores ultra wide bandgap também apresentam maior rendimento com sinais de RF.

Podemos dizer que os componentes UWBG representarão a próxima geração dos semicondutores de potência, indicando que ainda temos muito que evoluir na eletrônica do estado solido antes de que, como muitos apregoam, os dispositivos quânticos se tornem práticos.

Nota: para saber mais veja o artigo de Paul Golata (ART4631) no site.

 

 

 

 


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