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(Quelle: Andrei Kuzmik/Shutterstock.com)

Siliziumkarbid-Transistoren werden zunehmend in Hochspannungs-Leistungswandlern eingesetzt, da sie den hohen Anforderungen an Größe, Gewicht und/oder Effizienz dieser Anwendungen gerecht werden. Aber warum ist diese Technologie für Entwickler so faszinierend? Dieser Blog gibt einige Einblicke.

Aufgrund der hervorragenden Materialeigenschaften von Siliziumkarbid (SiC) können schnell schaltende unipolare Bauelemente anstelle von IGBT-Schaltern (Insulated Gate Bipolar Transistor) entwickelt werden. Dadurch werden nun auch bei höheren Spannungen Lösungen möglich, die bisher nur im Niederspannungsbereich mit Spannungen von 600 V und darunter realisierbar waren. Das Ergebnis sind ein höherer Wirkungsgrad, höhere Schaltfrequenzen, geringere Wärmeabgabe und Platzersparnis. Das sind Vorteile, die wiederum zur Kostensenkung des Gesamtsystems beitragen.

Infineon Technologies hat dieses Potenzial bereits vor fast 30 Jahren erkannt und 1992 ein Expertenteam gegründet, das SiC-Dioden und -Transistoren für industrielle Hochleistungsanwendungen entwickelt. Im Folgenden finden Sie eine kurze und nicht abschließende Liste von Meilensteinen, die seither erreicht wurden:

• 2001: Die weltweit erste Einführung von Schottky-Dioden auf SiC-Basis.
• 2006: Die ersten Leistungsmodule mit SiC-Bauelementen.
• Die Einführung der aktuellen fünften Generation von SiC-Dioden.
• 2017: Die vollständige Umstellung auf die 150mm-Wafertechnologie in der Villacher Innovation Factory in Verbindung mit der Premiere des innovativen Trench CoolSiC^™ MOSFET.

In puncto Zuverlässigkeit von SiC-Bauelementen haben sich Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) als das Konzept der Wahl etabliert. Anfangs schienen Sperrschicht-Feldeffekttransistor-Strukturen (JFET) die ultimative Lösung zu sein, um Leistung und Zuverlässigkeit in einem SiC-Transistor zu vereinen. Mit der inzwischen etablierten 150-mm-Wafertechnologie sind jedoch SiC-MOSFETs auf Trench-Basis möglich geworden. Dadurch konnte das Problem der doppeldiffundierten Metalloxid-Halbleiter (DMOS)-Strukturen gelöst werden, bei denen man sich zwischen Leistung und hoher Zuverlässigkeit entscheiden muss.

Leistungsbauelemente mit breiter Bandlücke, wie beispielsweise SiC-Dioden und -Transistoren oder Galliumnitrid-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (GaN HEMTs), sind heute gängige Bauelemente in den Labors von Leistungselektronikentwicklern. Aber warum ist das so? Was ist so faszinierend an Siliziumkarbid im Gegensatz zu konventionellem Silizium? Was macht SiC-Bauelemente für Entwickler so attraktiv, dass sie diese Elemente trotz der höheren Kosten im Vergleich zu Silizium-Hochspannungsbauelementen so häufig in ihren Designs verwenden? Im Folgenden werden einige Gründe genannt.

Geringe Verluste und eine hohe Durchbruchfeldstärke sind entscheidend

Bei Energieumwandlungssystemen suchen die Entwickler ständig nach Möglichkeiten, die Energieverluste während der Umwandlung zu reduzieren. Moderne Systeme beruhen auf Technologien, bei denen Halbleitertransistoren in Kombination mit passiven Elementen ein- und ausgeschaltet werden. Bei den Verlusten im Zusammenhang mit den verwendeten Transistoren sind mehrere Aspekte von Bedeutung.

• Zunächst müssen die Entwickler die Verluste in der Durchlassphase berücksichtigen. Bei MOSFETs sind diese durch einen klassischen Widerstand definiert. Bei IGBTs ist es ein fester Leitungsverlustfaktor in Form einer Kniespannung (V_{ce_sat}) und zusätzlich ein differentieller Widerstand der Ausgangskennlinie. Die Verluste in der Sperrphase können in der Regel vernachlässigt werden.

• Zum anderen sollten Entwickler berücksichtigen, dass es beim Schalten immer eine Übergangsphase zwischen dem EIN- und AUS-Zustand gibt (Abbildung 1). Die damit verbundenen Verluste werden größtenteils durch die Bauelemente-Kapazitäten bestimmt. Bei IGBTs kommen weitere Verluste durch die Dynamik der Minoritätsträger hinzu (Einschaltspitze, Schwanzstrom).

Ausgehend von diesen Überlegungen würde man erwarten, dass das Bauelement der Wahl immer ein MOSFET ist. Insbesondere bei hohen Spannungen wird der Widerstand von Silizium-MOSFETs jedoch so hoch, dass die Gesamtverlustbilanz schlechter ausfällt als die von IGBTs, da diese die Ladungsmodulation durch Minoritätsträger nutzen können, um den Widerstand im Durchlassmodus zu senken.

Abbildung 1: Die Abbildung zeigt einen grafischen Vergleich des Schaltvorgangs und des statischen I-U-Verhaltens. (Quelle: Infineon Technologies)

Dieses Bild ändert sich jedoch, wenn man Halbleiter mit breiter Bandlücke berücksichtigt. Abbildung 2 fasst die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von SiC und GaN im Vergleich zu Silizium zusammen. Die unmittelbare Korrelation zwischen der Bandlücke und dem kritischen elektrischen Feld eines Halbleiters ist signifikant. Bei SiC ist es im Vergleich zu Silizium etwa 10-mal höher.

Abbildung 2: Die Abbildung zeigt die wesentlichen physikalischen Eigenschaften von SiC und GaN im Vergleich zu Silizium. (Quelle: Infineon Technologies)

Diese Eigenschaft hat Auswirkungen auf das Design von Hochspannungskomponenten. Abbildung 3 zeigt dies am Beispiel eines 5-kV-Halbleiterbauelements. Bei Silizium müssen Halbleiterentwickler wegen der relativ geringen internen Durchbruchfeldstärke eine relativ breite aktive Zone verwenden. Außerdem können nur wenige Dotierstoffe in die aktive Zone eingebracht werden, was zu einem hohen Serienwiderstand führt (wie in Abbildung 1 dargestellt).

Abbildung 3: SiC ermöglicht dünnere aktive Halbleiterzonen. (Quelle: Infineon Technologies)

Aufgrund des 10-fach höheren Durchbruchfelds kann die aktive Zone bei SiC erheblich dünner gestaltet werden. Gleichzeitig können wesentlich mehr freie Ladungsträger eingebracht werden, so dass eine wesentlich höhere Leitfähigkeit erreicht wird. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich der Übergang zwischen schnell schaltenden unipolaren Bauelementen wie MOSFETs oder Schottky-Dioden und den langsameren bipolaren Strukturen wie IGBTs und p-n-Dioden bei SiC zu wesentlich höheren Sperrspannungen verlagert hat (Abbildung 4).

Abbildung 4: SiC bietet höhere Sperrspannungen als konventionelles Silizium. (Quelle: Infineon Technologies)

Oder umgekehrt: Was mit Silizium im Niederspannungsbereich um 50 V möglich war, ist mit SiC für 1200-V-Bauelemente machbar.

Fazit

Aufgrund der Fortschritte in der WBG-Technologie (Wide Band Gap) und der überlegenen Materialeigenschaften von Siliziumkarbid können diese Bauelemente mit schnellerem Schaltverhalten, geringeren Schaltverlusten und einer dünneren aktiven Zone arbeiten. Das ermöglicht Designs mit höherem Wirkungsgrad, höheren Schaltfrequenzen und geringerem Platzbedarf. Daher werden SiC-MOSFETs bei Anwendungen zur Leistungsumwandlung gegenüber herkömmlichen Silizium-Bauelementen immer beliebter.

Der Blog Was sind die Vorteile und Einsatzbereiche von SiC-MOSFETs? wurde von Peter Friedrichs verfasst und zuerst auf infineon.com veröffentlicht. Der Blog wurde von Mouser mit der Erlaubnis von Infineon aktualisiert und neu veröffentlicht.