(Quelle: Rohm Semiconductor)

Bauelemente aus Siliziumkarbid wurden ursprünglich als Ersatz für herkömmliche CMOS-Elektronik entwickelt. Sie boten Vorteile in Bezug auf R_DS(ON) und höhere Schaltfrequenzen. Doch im Laufe der Zeit wurden die Schaltungen von Grund auf neu entwickelt, um den besonderen Eigenschaften von Materialien mit breiter Bandlücke Rechnung zu tragen.

In der Elektrotechnik war Siliziumkarbid zwar schon seit den 1920er-Jahren bekannt, aber in der Elektronik kam es erst viel später zum Einsatz, da Halbleiter auf Siliziumbasis wesentlich einfacher herzustellen und daher kostengünstiger waren. Die Forschung begann sogar erst richtig, als die Grenzen der Silizium-Halbleitertechnologie eine Entwicklung absehbar behinderten.

Seit ihrer Markteinführung haben die Hersteller von Leistungshalbleitern an Materialien mit kleiner Bandlücke gearbeitet, um die Vorteile gegenüber Siliziumhalbleitern noch besser ausnutzen zu können. Der erste SiC-MOSFET wurde 2011 auf den Markt gebracht. Seitdem sind diese Bauelemente deutlich kostengünstiger geworden, und die Fertigungsqualität hat sich ständig verbessert. Rohm Semiconductor ist heute mit seiner 4. Generation von SiC-MOSFETs auf dem Markt.

Warum SiC-MOSFETs?

MOSFETs auf SiC-Basis können aufgrund der breiteren Bandlücke (bis zu 3,33 eV) von SiC im Vergleich zu Si (bis zu 1,12 eV) einem zehnmal stärkeren elektrischen Feld standhalten. Einer der besonders wichtigen Parameter bei SiC-MOSFETs ist die höhere Schaltgeschwindigkeit. Dadurch sind höhere Frequenzen möglich und infolgedessen können kleinere induktive und kapazitive Bauelemente eingesetzt werden. Das reduziert nicht nur die Größe des gesamten elektronischen Schaltungsdesigns, sondern senkt auch die Kosten.

Ein weiterer großer Vorteil ist die zehnmal höhere kritische Durchschlagsfestigkeit von Siliziumkarbid im Vergleich zu Silizium. Somit können kleinere und spannungsstärkere SiC-MOSFETs gefertigt werden. Einige SiC-MOSFETs haben Betriebsspannungen von weit über 1,5 kV. Das ist ein Wert, der weit über dem liegt, der mit Siliziumtechnologien erreicht werden kann. Mit der höheren Betriebsspannung lassen sich hohe Durchbruchsspannungen realisieren. Gleichzeitig können dünnere Drift-Schichten verwendet werden. Dank der SiC-Technologie haben die MOSFETs außerdem einen geringeren Durchlasswiderstand. Die Folge sind geringere ohmsche Verluste. Durch die höheren Schaltgeschwindigkeiten wird ein schnellerer Übergang zwischen dem EIN- und AUS-Zustand erreicht, was wiederum zu geringeren Verlusten führt. Bei elektronischen Schaltungen wie Spannungswandlern, Schaltnetzteilen usw. kann dies von entscheidender Bedeutung sein.

Darüber hinaus ist aufgrund der großen Bandlücke eine hohe Betriebstemperatur möglich. Si-MOSFETs stoßen bereits bei etwa 150 °C an ihre Grenzen, SiC-Bauteile können jedoch Temperaturen von bis zu 600 °C standhalten. Die Gehäusetechnologie ist jedoch noch nicht so ausgereift, dass sie Temperaturen in diesem Bereich standhält.

Der größte Nachteil von SiC-MOSFETs ist im Allgemeinen die starke Temperaturabhängigkeit des R_DS(ON).

Systemdesign mit SiC-MOSFETs der 4. Generation

SiC-MOSFETs funktionieren grundsätzlich sehr ähnlich wie herkömmliche MOSFETs auf Siliziumbasis. Es gibt jedoch einige Punkte, die berücksichtigt werden müssen.

Bei der Entwicklung der SiC-MOSFETs der 4. Generation hat sich Rohm hauptsächlich auf die folgenden drei Ziele konzentriert:

• Geringe Verluste: Realisierung von standardisiertem R_DS(ON) und hoher Schaltgeschwindigkeit
• Bessere Benutzerfreundlichkeit: Realisierung einer Gate-Treiberspannung von 15 V bis 18 V ohne negative Vorspannung
• Hohe Zuverlässigkeit: Realisierung einer hohen Kurzschlussfestigkeit

Zunächst wurde durch Verkleinerung der MOSFET-Zellen und andere Maßnahmen der Einschaltwiderstand im Vergleich zu den Produkten der 3. Generation um 40 % reduziert, um die Verluste zu verringern. Zudem konnte durch eine Optimierung der Bauelementestruktur die parasitäre Kapazität reduziert werden. Dadurch konnten die Leitungs- und Schaltverluste im Vergleich zu den Vorgängerprodukten erheblich reduziert werden.

Zur Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit wurde bei den Produkten der 3. Generation zusätzlich zur Gate-Treiberspannung V_GS(ON) = 18 V eine Gate-Treiberspannung von V_GS(ON) = 15 V ermöglicht, die der Spannung von Silizium-MOSFETs (Si) entspricht. Dadurch können Si-MOSFETs einfacher durch SiC-MOSFETs ersetzt werden. Somit haben die Kunden deutlich mehr Spielraum beim Schaltungsdesign. Zur Unterdrückung des Selbsteinschaltens (Self-Turn-On) wurden außerdem die Kapazitätseigenschaften des Bauelements optimiert und die Gate-Schwellenspannung auf einen hohen Wert gesetzt. Es ist daher keine negative Vorspannung beim Ausschalten erforderlich. Dies vereinfacht die Treiberschaltung, minimiert die Größe der Schaltung und trägt somit erheblich zur Kostenreduzierung bei.

Zur Erzielung einer hohen Zuverlässigkeit ist die tatsächliche Kurzschlussleistung größer oder vergleichbar mit der Leistung von Produkten der 3. Generation, obwohl der R_DS(ON) gesenkt werden konnte. Dies ist eine sehr wichtige Eigenschaft für den sicheren Einsatz von SiC-MOSFETs, bei denen die Stromdichte pro Flächeneinheit sehr hoch ist.

Ein sehr gutes Beispiel für diese Weiterentwicklung ist der SCT4026DR, der auch als Automotive-qualifizierter SCT4026DRHRC15 erhältlich ist. Diese AEC-Q101-SiC-Power-MOSFETs eignen sich für Automotive- und Schaltnetzteile.

Gate-Treiberspannung und Einschaltwiderstand

Der Drift-Schicht-Widerstand von SiC-MOSFETs ist kleiner als der von Si-MOSFETs. Da jedoch die Trägerbeweglichkeit im MOSFET-Kanalteil durch den aktuellen Stand der Technik begrenzt ist, liegt der Kanalwiderstand im Vergleich zu Si-MOSFETs höher. Dadurch kann der Einschaltwiderstand mit einer höheren Gate-Spannung V_GS gesenkt werden (allmähliche Sättigung über V_GS = 18 V). Der Einschaltwiderstand des SiC-MOSFETs schwankt ebenfalls erheblich in Abhängigkeit vom V_GS -Wert, selbst wenn der Kanal eingeschaltet ist. Eine Erhöhung des V_GS-Wertes verbessert daher die Leistung des SiC-MOSFETs, indem der Einschaltwiderstand verringert wird. Bei niedrigen V_GS-Werten sinkt der Einschaltwiderstand tendenziell, wenn die Betriebstemperatur höher liegt. Entwickler sollten daher unbedingt darauf achten, dass es nicht zu einer thermischen Instabilität kommt, weil sich der Strom auf ein einziges Element konzentriert, z. B. wenn die Elemente parallel geschaltet sind und bei hoher Temperatur und niedrigem VGS-Wert betrieben werden.

Ausblick

Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Leistungshalbleitern auf SiC-Basis hat zu erheblichen Verbesserungen gegenüber der konventionellen Siliziumtechnologie geführt. Die neueste Generation von SiC-MOSFETs vereint verschiedene Entwicklungen und bietet eine überragende Leistung. Damit diese neue Klasse elektronischer Bauelemente ihre Stärken ausspielen kann, ist ein sorgfältiges Schaltungsdesign erforderlich.