This dissertation presents a comparative study about the performance of silicon (Si) and gallium nitride (GaN) semiconductors in drivers for light emitting diodes. Hereby, it is expected to provide the theoretical background required for the development of future works using this new technology. Theoretical aspects related to the materials used in the manufacture of semiconductors and their implications in the final product, as well as the characteristics and peculiarities of GaN semiconductors are presented. The experimental development consisted of two case studies, each focused on a distinct topology with different types of GaN semiconductors. First, a comparison of Si and enhancement mode GaN transistors was carried out in a family of synchronous buck converters. Ten 48 V to 28.3 V and 22.6 W converters were designed with the same parameters, at five different switching frequencies, ranging from 100 kHz to 1 MHz. Efficiency and temperatures were measured in four different scenarios: with and without an external diode in parallel with the low-side switch and with two different dead-time values, 25 ns and 50 ns. Converters with GaN transistors showed higher efficiency and lower temperatures in all cases, with a maximum efficiency of 96.8% and a minimum of 94.5%. In addition, Si-based converters exhibited greater performance degradation as the switching frequency and dead time increased. In the second study, nine 75 W off-line integrated double buck-boost converters were developed and evaluated. Two different Si technologies were compared with a cascode GaN transistor at three switching frequencies, ranging from 50 to 150 kHz. Again, the efficiency and temperatures of the prototypes were measured. The converters with GaN demonstrated superior performance in all cases, yielding about 5% gain in efficiency over the worst tested Si semiconductor. In both cases, the converters’ loss distribution was presented based on simulation results. It was concluded that the gallium nitride transistors have the potential to replace silicon technology mainly due to its superior performance and requirement of small, or no change, in the original circuit. / A presente dissertação apresenta um estudo comparativo do desempenho de semicondutores de silício (Si) e nitreto de gálio (GaN) em circuitos utilizados na alimentação de diodos emissores de luz. Por meio deste, procura-se fornecer o embasamento teórico necessário para o desenvolvimento de trabalhos futuros utilizando esta nova tecnologia. São apresentados, inicialmente, aspectos teóricos relacionados aos materiais utilizados na fabricação de semicondutores e suas implicações no produto final, além das características e peculiaridades dos semicondutores GaN. O desenvolvimento experimental consistiu de dois estudos de caso, cada um focado em uma topologia distinta com tipos de semicondutores GaN diferentes. Primeiramente, realizou-se um comparativo de transistores Si e GaN do tipo intensificação em uma família de conversores buck síncronos. Dez conversores 48 V para 28,3 V e 22,6 W foram projetados, com os mesmos parâmetros, em cinco diferentes frequências de comutação, variando de 100 kHz a 1 MHz. Eficiência e temperaturas foram medidas em quatro diferentes cenários: com e sem um diodo externo em paralelo com o interruptor de roda-livre e com dois valores diferentes de tempo morto, 25 ns e 50 ns. Os conversores com transistores GaN apresentaram maior eficiência e menores temperaturas em todos os casos, com uma eficiência máxima de 96,8% e uma mínima de 94,5%. Além disso, os conversores com Si exibiram uma maior degradação de desempenho à medida que a frequência de comutação e o tempo morto aumentam. No segundo estudo, nove conversores duplo buck-boost integrados de 75 W com alimentação a partir da rede elétrica foram desenvolvidos e avaliados. Compararam-se duas tecnologias distintas de interruptores de Si com um transistor GaN do tipo cascode, em três frequências de comutação, variando de 50 a 150 kHz. Novamente, mediu-se a eficiência e temperaturas dos protótipos. Os conversores com GaN demonstraram desempenho superior em todos os casos, com um ganho de cerca de 5% no rendimento em relação ao pior semicondutor Si testado. Em ambos os estudos de caso, a distribuição de perdas dos conversores foi apresentada com base em resultados de simulação. Concluiu-se que os transistores de nitreto de gálio têm potencial para substituir a tecnologia de silício utilizada atualmente devido, principalmente, a seu desempenho superior e exigência de pouca, ou nenhuma, mudança no circuito original.

Neste trabalho estudamos as propriedades físicas das impurezas de elementos de terra rara (TR) nos cristais de GaN, nas estruturas cristalinas zincblenda e wurtzita, e de ZnO. Para tal, consideramos as impurezas de Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er e Tm substitucionais no sítio do cátion (Ga ou Zn), pois esta posição é mais estável do que no sítio do ânion (N ou O). As investigações foram efetuadas através de simulações computacionais baseadas em métodos de primeiros princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade e utilizando o método FP-LAPW (Full Potential Linear Augmented Plane Waves), implementado no código computacional WIEN2k, dentro do esquema de supercélula, com relaxações atômicas tratadas de modo apropriado. No tratamento dos estados de valência 3d (Ga ou Zn) e 4f dos átomos de TR foi introduzida uma correção local de Hubbard, para levar em conta efeitos de alta correlação eletrônica. Inicialmente, estudamos as propriedades eletrônicas e estruturais dos elementos de TR em suas fases metálicas. Estes resultados serviram para validar a metodologia de obtenção dos valores dos parâmetros U de Hubbard de modo autoconsistente, pois para este grupo de materiais existem resultados experimentais. Comparando a localização e o desdobramento entre os estados ocupados e desocupados relacionados aos orbitais 4f, em relação ao nível de Fermi dos sistemas, obteve-se uma ótima concordância. Nossos resultados para os sistemas dopados, utilizando a correção do potencial U de Hubbard, mostram que a suas descrições estão adequadas. Somente com a introdução da correção é possível localizar corretamente, em relação ao topo da banda de valência, os estados ocupados e desocupados relacionados aos orbitais 4f. Estes resultados estão de acordo com esquemas propostos na literatura, mostrando que o estado de oxidação das impurezas de TR é trivalente e que, em geral, em ambos sistemas cristalinos, não há a introdução de níveis de energia na região do gap dos materiais. Nosso estudo da correção do potencial U de Hubbard, obtido autoconsistemente, na teoria do funcional da densidade, mostra que seus valores não são universais, dependendo do estado de carga e do ambiente em que o átomo está inserido. Mais ainda, mostra que o procedimento adotado é totalmente apropriado para descrever a correlação eletrônica dos elétrons 4f. / In this work we studied the physical properties of rare earth (RE) impurities in GaN, in the zincblend and the wurtzite crystal structures, and in ZnO. Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er and Tm substitutional impurities in the cation site (Ga or Zn) were considered, since this position is more stable than anion site (N or O). The investigations were carried out by computational simulations using ab initio methods, based on the density functional theory and the FP-LAPW (Full Potential Linear Augmented Plane Waves) method, as implemented in the WIEN2k code, considering the supercell approach and atomic relaxations. The 3d-Ga or 3d-Zn and the 4f-RE valence states were treated with the introduction of on-site Hubbard correction, in order to correctly describe the strongly correlated electrons. First, the electronic and structural properties of RE metallic systems were investigated and the results were compared with available experimental data, showing a good agreement. Those results helped to identify the appropriate procedure to compute the Hubbard U potential. This procedure should also provide a reliable description about the electronic properties of RE elements as impurities in semiconductors. Then, we have computed the properties of substitutional RE impurities in the cation site using the same methodology and procedures. The Hubbard U potential was necessary to correctly describe the position of the 4f occupied and unoccupied states, related to the valence band top. These results are in agreement with proposed electronic properties of RE doped GaN and ZnO found in the literature. The RE impurities oxidation states are in general trivalent in both crystal systems and introduce no energy levels in the gap region. Our Hubbard U potential correction, obtained in a self-consistent way, depends on the considered element and the neighborhood, and it is not an universal parameter. Moreover, our investigation shows that the adopted procedure is totally appropriate to describe the electronic correlation of the 4f electrons.

Neste trabalho estudamos as propriedades físicas das impurezas de elementos de terra rara (TR) nos cristais de GaN, nas estruturas cristalinas zincblenda e wurtzita, e de ZnO. Para tal, consideramos as impurezas de Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er e Tm substitucionais no sítio do cátion (Ga ou Zn), pois esta posição é mais estável do que no sítio do ânion (N ou O). As investigações foram efetuadas através de simulações computacionais baseadas em métodos de primeiros princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade e utilizando o método FP-LAPW (Full Potential Linear Augmented Plane Waves), implementado no código computacional WIEN2k, dentro do esquema de supercélula, com relaxações atômicas tratadas de modo apropriado. No tratamento dos estados de valência 3d (Ga ou Zn) e 4f dos átomos de TR foi introduzida uma correção local de Hubbard, para levar em conta efeitos de alta correlação eletrônica. Inicialmente, estudamos as propriedades eletrônicas e estruturais dos elementos de TR em suas fases metálicas. Estes resultados serviram para validar a metodologia de obtenção dos valores dos parâmetros U de Hubbard de modo autoconsistente, pois para este grupo de materiais existem resultados experimentais. Comparando a localização e o desdobramento entre os estados ocupados e desocupados relacionados aos orbitais 4f, em relação ao nível de Fermi dos sistemas, obteve-se uma ótima concordância. Nossos resultados para os sistemas dopados, utilizando a correção do potencial U de Hubbard, mostram que a suas descrições estão adequadas. Somente com a introdução da correção é possível localizar corretamente, em relação ao topo da banda de valência, os estados ocupados e desocupados relacionados aos orbitais 4f. Estes resultados estão de acordo com esquemas propostos na literatura, mostrando que o estado de oxidação das impurezas de TR é trivalente e que, em geral, em ambos sistemas cristalinos, não há a introdução de níveis de energia na região do gap dos materiais. Nosso estudo da correção do potencial U de Hubbard, obtido autoconsistemente, na teoria do funcional da densidade, mostra que seus valores não são universais, dependendo do estado de carga e do ambiente em que o átomo está inserido. Mais ainda, mostra que o procedimento adotado é totalmente apropriado para descrever a correlação eletrônica dos elétrons 4f. / In this work we studied the physical properties of rare earth (RE) impurities in GaN, in the zincblend and the wurtzite crystal structures, and in ZnO. Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er and Tm substitutional impurities in the cation site (Ga or Zn) were considered, since this position is more stable than anion site (N or O). The investigations were carried out by computational simulations using ab initio methods, based on the density functional theory and the FP-LAPW (Full Potential Linear Augmented Plane Waves) method, as implemented in the WIEN2k code, considering the supercell approach and atomic relaxations. The 3d-Ga or 3d-Zn and the 4f-RE valence states were treated with the introduction of on-site Hubbard correction, in order to correctly describe the strongly correlated electrons. First, the electronic and structural properties of RE metallic systems were investigated and the results were compared with available experimental data, showing a good agreement. Those results helped to identify the appropriate procedure to compute the Hubbard U potential. This procedure should also provide a reliable description about the electronic properties of RE elements as impurities in semiconductors. Then, we have computed the properties of substitutional RE impurities in the cation site using the same methodology and procedures. The Hubbard U potential was necessary to correctly describe the position of the 4f occupied and unoccupied states, related to the valence band top. These results are in agreement with proposed electronic properties of RE doped GaN and ZnO found in the literature. The RE impurities oxidation states are in general trivalent in both crystal systems and introduce no energy levels in the gap region. Our Hubbard U potential correction, obtained in a self-consistent way, depends on the considered element and the neighborhood, and it is not an universal parameter. Moreover, our investigation shows that the adopted procedure is totally appropriate to describe the electronic correlation of the 4f electrons.