Los semiconductores de banda ancha (también conocidos como semiconductores WBG o WBGS ) son materiales semiconductores que tienen una banda prohibida más grande que los semiconductores convencionales. Los semiconductores convencionales como el silicio y el selenio tienen una banda prohibida en el rango de 0,7 a 1,5 electronvoltios (eV), mientras que los materiales de banda ancha tienen bandas prohibidas en el rango de más de 2 eV. [1] [2] En general, los semiconductores de banda ancha tienen propiedades electrónicas que se encuentran entre las de los semiconductores convencionales y los aislantes .
Los semiconductores de banda ancha permiten que los dispositivos funcionen a voltajes, frecuencias y temperaturas mucho más altos que los materiales semiconductores convencionales, como el silicio y el arseniuro de galio . Son el componente clave que se utiliza para fabricar LED o láseres de longitud de onda corta (UV verde) , y también se utilizan en ciertas aplicaciones de radiofrecuencia , en particular los radares militares . Sus cualidades intrínsecas los hacen adecuados para una amplia gama de otras aplicaciones, y son uno de los principales contendientes para dispositivos de próxima generación para uso general en semiconductores.
El ancho de banda más amplio es particularmente importante para permitir que los dispositivos que los utilizan funcionen a temperaturas mucho más altas, del orden de 300 °C. Esto los hace muy atractivos para aplicaciones militares, donde han tenido un uso considerable. La alta tolerancia a la temperatura también significa que estos dispositivos pueden funcionar a niveles de potencia mucho más altos en condiciones normales. Además, la mayoría de los materiales de ancho de banda también tienen una densidad de campo eléctrico crítico mucho mayor, del orden de diez veces la de los semiconductores convencionales. Combinadas, estas propiedades les permiten funcionar a voltajes y corrientes mucho más altos, lo que los hace muy valiosos en aplicaciones militares, de radio y de conversión de energía . El Departamento de Energía de EE. UU. cree que serán una tecnología fundamental en la nueva red eléctrica y los dispositivos de energía alternativa , así como en los componentes de potencia robustos y eficientes utilizados en vehículos de alta potencia, desde vehículos eléctricos enchufables hasta trenes eléctricos . [3] La mayoría de los materiales de ancho de banda también tienen altas velocidades de electrones libres, lo que les permite trabajar a velocidades de conmutación más altas, lo que aumenta su valor en aplicaciones de radio. Se puede utilizar un único dispositivo WBG para crear un sistema de radio completo, eliminando la necesidad de contar con componentes de señal y de radiofrecuencia separados, al tiempo que funciona a frecuencias y niveles de potencia más altos.
La investigación y el desarrollo de materiales de banda ancha están por detrás de los semiconductores convencionales, que han recibido inversiones masivas desde la década de 1970. Sin embargo, sus claras ventajas inherentes en muchas aplicaciones, combinadas con algunas propiedades únicas que no se encuentran en los semiconductores convencionales, han llevado a un creciente interés en su uso en dispositivos electrónicos cotidianos en lugar del silicio. Su capacidad para manejar una mayor densidad de potencia es particularmente atractiva para los intentos de mantener la ley de Moore : la tasa constante observada de aumento en la densidad de transistores en un circuito integrado, que, a lo largo de décadas, se ha duplicado aproximadamente cada dos años. Sin embargo, las tecnologías convencionales parecen estar alcanzando una meseta de densidad de transistores. [4]
Los materiales de banda ancha tienen varias características que los hacen útiles en comparación con los materiales de banda estrecha. La mayor brecha de energía brinda a los dispositivos la capacidad de operar a temperaturas más altas, [5] ya que las bandas prohibidas generalmente se reducen con el aumento de la temperatura, lo que puede ser problemático cuando se utilizan semiconductores convencionales. Para algunas aplicaciones, los materiales de banda ancha permiten que los dispositivos conmuten voltajes más altos. La banda ancha también lleva la energía de transición electrónica al rango de la energía de la luz visible y, por lo tanto, se pueden fabricar dispositivos emisores de luz, como diodos emisores de luz (LED) y láseres semiconductores que emiten en el espectro visible , o incluso producen radiación ultravioleta.
La iluminación de estado sólido que utiliza semiconductores de banda ancha tiene el potencial de reducir la cantidad de energía necesaria para proporcionar iluminación en comparación con las luces incandescentes , que tienen una eficacia luminosa de menos de 20 lúmenes por vatio. La eficacia de los LED es del orden de 160 lúmenes por vatio.
Los semiconductores de banda ancha también se pueden utilizar en el procesamiento de señales de RF . Los transistores de potencia basados en silicio están alcanzando límites de frecuencia de operación, voltaje de ruptura y densidad de potencia . Los materiales de banda ancha se pueden utilizar en aplicaciones de conmutación de potencia y alta temperatura.
- Los únicos materiales con banda ancha del grupo IV son el diamante y el carburo de silicio (SiC).
- El único material semiconductor del grupo III es el Boro, con una banda prohibida más amplia que el Silicio , el Selenio y el Germanio .
Existen muchos semiconductores compuestos III-V y II-VI con anchos de banda amplios. En la familia de semiconductores III-V, el nitruro de aluminio (AlN) se utiliza para fabricar LED ultravioleta con longitudes de onda de hasta 200-250 nm , el nitruro de galio (GaN) se utiliza para fabricar LED azules y diodos láser , y el nitruro de boro (BN) se propone para LED azules.
La mecánica cuántica da lugar a una serie de niveles de energía de electrones distintos, o bandas , que varían de un material a otro. Cada banda puede albergar una cierta cantidad de electrones; si el átomo tiene más electrones, se ven obligados a pasar a bandas de energía más altas. En presencia de energía externa, algunos de los electrones ganarán energía y volverán a subir por las bandas de energía, antes de liberarla y volver a caer a una banda inferior. Con la aplicación constante de energía externa, como la energía térmica presente a temperatura ambiente , se alcanza un equilibrio en el que la población de electrones que se mueven hacia arriba y hacia abajo por las bandas es igual.
Dependiendo de la distribución de las bandas de energía, y del "hueco de banda" entre ellas, los materiales tendrán propiedades eléctricas muy diferentes. Por ejemplo, a temperatura ambiente la mayoría de los metales tienen una serie de bandas parcialmente llenas que permiten añadir o quitar electrones con poca energía aplicada. Cuando están muy juntos, los electrones pueden moverse fácilmente de un átomo a otro, lo que los convierte en excelentes conductores . En comparación, la mayoría de los materiales plásticos tienen niveles de energía muy espaciados que requieren una energía considerable para mover electrones entre sus átomos, lo que los convierte en aislantes naturales . Los semiconductores son aquellos materiales que tienen ambos tipos de bandas y, a temperaturas de funcionamiento normales, algunos electrones están en ambas bandas.
En los semiconductores, al añadir una pequeña cantidad de energía se empujan más electrones hacia la banda de conducción , lo que los hace más conductores y permite que la corriente fluya como un conductor. Al invertir la polaridad de esta energía aplicada, los electrones se empujan hacia las bandas más separadas, lo que los convierte en aislantes y detiene el flujo. Dado que la cantidad de energía necesaria para empujar los electrones entre estos dos niveles es muy pequeña, los semiconductores permiten la conmutación con muy poca entrada de energía. Sin embargo, este proceso de conmutación depende de que los electrones se distribuyan de forma natural entre los dos estados, por lo que pequeñas entradas hacen que las estadísticas de población cambien rápidamente. A medida que cambia la temperatura externa, debido a la distribución de Maxwell-Boltzmann , cada vez más electrones se encontrarán normalmente en un estado u otro, lo que hará que la acción de conmutación se produzca por sí sola o se detenga por completo.
El tamaño de los átomos y el número de protones en el átomo son los predictores primarios de la fuerza y la disposición de las bandas prohibidas. Los materiales con átomos pequeños y enlaces atómicos fuertes se asocian con bandas prohibidas anchas. Con respecto a los compuestos III-V, los nitruros se asocian con las bandas prohibidas más grandes. Las bandas prohibidas se pueden diseñar mediante aleación , y la ley de Vegard establece que existe una relación lineal entre la constante de red y la composición de una solución sólida a temperatura constante. La posición de los mínimos de la banda de conducción frente a los máximos en la estructura de la banda determina si una banda prohibida es directa o indirecta , donde los materiales de banda prohibida directa absorben la luz con fuerza y los materiales de banda prohibida indirecta absorben menos fuertemente. Del mismo modo, el material de banda prohibida directa emite luz con fuerza, mientras que los semiconductores de banda prohibida indirecta son malos emisores de luz, a menos que se agreguen dopantes que se acoplen fuertemente a la luz.
La conexión entre la longitud de onda y la banda prohibida es que la energía de la banda prohibida es la energía mínima que se necesita para excitar un electrón en la banda de conducción . Para que un fotón no asistido cause esta excitación, debe tener al menos esa cantidad de energía. En el proceso opuesto, cuando los pares electrón-hueco excitados experimentan una recombinación , se generan fotones con energías que corresponden a la magnitud de la banda prohibida.
El ancho de banda determina la longitud de onda en la que los LED emiten luz y la longitud de onda en la que los sistemas fotovoltaicos funcionan de forma más eficiente. Por lo tanto, los dispositivos con ancho de banda amplio son útiles en longitudes de onda más cortas que otros dispositivos semiconductores. El ancho de banda de 1,4 eV para el GaAs, por ejemplo, corresponde a una longitud de onda de aproximadamente 890 nm, que es luz infrarroja (la longitud de onda equivalente para la energía de la luz se puede determinar dividiendo la constante 1240 nm-eV por la energía en eV, por lo que 1240 nm-eV/1,4 eV=886 nm). Dado que la mayor eficiencia se produciría a partir de una célula fotovoltaica con capas adaptadas a las diferentes regiones del espectro solar, las células solares multiunión modernas tienen múltiples capas con diferentes anchos de banda, y los semiconductores con ancho de banda amplio son un componente clave para recoger la parte del espectro más allá del infrarrojo. [15]
El uso de LED en aplicaciones de iluminación depende en particular del desarrollo de semiconductores de nitruro de banda ancha.
La ionización por impacto suele ser la causa de la ruptura. En el punto de ruptura, los electrones de un semiconductor están asociados con suficiente energía cinética para producir portadores cuando chocan con átomos de la red.
Los semiconductores de banda ancha están asociados con un alto voltaje de ruptura. Esto se debe a que se requiere un campo eléctrico mayor para generar portadores a través del impacto.
En campos eléctricos altos , la velocidad de deriva se satura debido a la dispersión de los fonones ópticos . Una mayor energía de fonón óptico da como resultado menos fonones ópticos a una temperatura particular y, por lo tanto, hay menos centros de dispersión y los electrones en semiconductores de banda ancha pueden alcanzar velocidades pico altas.
La velocidad de deriva alcanza un pico en un campo eléctrico intermedio y sufre una pequeña caída en campos más altos. La dispersión intervalar es un mecanismo de dispersión adicional en campos eléctricos grandes y se debe a un desplazamiento de los portadores desde el valle más bajo de la banda de conducción a los valles superiores, donde la curvatura de la banda inferior aumenta la masa efectiva de los electrones y reduce la movilidad de los mismos . La caída en la velocidad de deriva en campos eléctricos altos debido a la dispersión intervalar es pequeña en comparación con la alta velocidad de saturación que resulta de la baja dispersión de fonones ópticos. Por lo tanto, hay una velocidad de saturación general más alta.
El silicio y otros materiales comunes tienen una banda prohibida del orden de 1 a 1,5 electronvoltios (eV), lo que implica que estos dispositivos semiconductores pueden controlarse con voltajes relativamente bajos. Sin embargo, también implica que se activan más fácilmente con energía térmica, lo que interfiere en su correcto funcionamiento. Esto limita los dispositivos basados en silicio a temperaturas operativas inferiores a unos 100 °C, más allá de las cuales la activación térmica incontrolada de los dispositivos dificulta su correcto funcionamiento. Los materiales con banda prohibida amplia suelen tener bandas prohibidas del orden de 2 a 4 eV, lo que les permite funcionar a temperaturas mucho más altas, del orden de 300 °C. Esto los hace muy atractivos en aplicaciones militares, donde se han utilizado bastante.
Las temperaturas de fusión, los coeficientes de expansión térmica y la conductividad térmica pueden considerarse propiedades secundarias que son esenciales en el procesamiento y están relacionadas con la unión en materiales de banda ancha. Las uniones fuertes dan como resultado temperaturas de fusión más altas y coeficientes de expansión térmica más bajos. Una temperatura de Debye alta da como resultado una conductividad térmica alta. Con tales propiedades térmicas, el calor se elimina fácilmente.
El alto voltaje de ruptura de los semiconductores de banda ancha es una propiedad útil en aplicaciones de alta potencia que requieren grandes campos eléctricos.
Se han desarrollado dispositivos para aplicaciones de alta potencia y alta temperatura [5] . Tanto el nitruro de galio como el carburo de silicio son materiales robustos muy adecuados para tales aplicaciones. Debido a su robustez y facilidad de fabricación, se espera que los semiconductores de carburo de silicio se utilicen ampliamente, creando una carga más simple y de mayor eficiencia para vehículos híbridos y totalmente eléctricos , reduciendo la pérdida de energía, construyendo convertidores de energía solar y eólica de mayor duración y eliminando los voluminosos transformadores de subestaciones de red. [16] También se utiliza nitruro de boro cúbico . [ cita requerida ] La mayoría de estos son para aplicaciones especializadas en programas espaciales y sistemas militares. No han comenzado a desplazar al silicio de su lugar líder en el mercado general de semiconductores de potencia.
Los LED blancos han sustituido a las bombillas incandescentes en muchas situaciones debido a su mayor brillo y vida útil más prolongada. La próxima generación de reproductores de DVD ( formatos Blu-ray y HD DVD ) utilizan láseres violetas basados en GaN .
Los grandes efectos piezoeléctricos permiten utilizar materiales de banda ancha como transductores .
El GaN de muy alta velocidad aprovecha el fenómeno de altas densidades de carga de interfaz.
Debido a su coste, el nitruro de aluminio se utiliza hasta ahora principalmente en aplicaciones militares.
Los dispositivos basados en materiales de banda ancha son capaces de conmutar a frecuencias mucho más altas que las versiones de silicio. [17] [18] [19] También tienden a tener muchas menos fugas. Como resultado, se requieren voltajes más altos y mediciones de corriente más sensibles para caracterizar correctamente el semiconductor WBG durante las pruebas. [20] [21]
Los dispositivos de potencia de semiconductores de banda ancha requieren múltiples mediciones, incluido el estado de encendido y apagado, el voltaje capacitivo y las características dinámicas. [22] [23] Además del rendimiento dinámico, es importante probar parámetros estáticos clave para evitar problemas en todo el sistema.
Las pruebas de WBG también pueden requerir equipos adicionales para utilizar correctamente algunos de los sensores mejorados. Los sensores de corriente de alta precisión y alta capacidad tienden a ser más grandes que las opciones menos precisas. Como resultado, pueden requerir estructuras de prueba especializadas que permitan su uso con un impacto mínimo en el rendimiento del circuito.
Si bien los semiconductores de banda ancha ofrecen ventajas significativas, plantean desafíos de fabricación. Producir materiales de banda ancha de alta calidad a gran escala puede ser difícil y costoso. [24] Los investigadores y fabricantes están trabajando para optimizar los procesos de fabricación para que estos materiales sean más asequibles. [25] [26]
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