Power-Managment

Das große Potenzial der Galliumnitrid-Halbleiter

27.03.17 | Autor / Redakteur: Francois Perraud * / Gerd Kucera

X-GaN: Seit mehr als 35 Jahre beherrscht der Power-MOSFET die Leistungswandler-Entwicklung im unteren bis mittleren Leistungsbereich. X-GaN versucht nun den Thronsturz im Power-Managment.
X-GaN: Seit mehr als 35 Jahre beherrscht der Power-MOSFET die Leistungswandler-Entwicklung im unteren bis mittleren Leistungsbereich. X-GaN versucht nun den Thronsturz im Power-Managment. (Bild: Panasonic)

Bei den jetzt in Serie produzierten X-GaN-GiT-Transistoren ist das Problem des Current-Collapse vollends ausgeräumt. X-GaN ist eine HEMT-Weiterentwicklung für Mainstream-Anwendungen bis 6 kW.

Aktuelle Trends beim Netzteil-Design konzentrieren sich auf höhere Wirkungsgrade und Leistungsdichten, die über die Fähigkeiten der siliziumbasierten MOSFET-Technik hinausgehen. Daher begannen Entwicklungsingenieure nach Schaltelementen zu suchen, die in der Lage sind, den Bedürfnisse moderner Stromversorgungen und Power-Management-Systeme gerecht zu werden. Das war der Start für die Konzeption von Galliumnitrid-Transistoren (GaN).

Wenn sich in einem wichtigen Bereich der Elektrotechnik ein neues Halbleitermaterial zu etablieren beginnt, weckt dies einerseits Erwartungen der Wirtschaft und Industrie, andererseits kann es eine erhebliche Herausforderung für die Hersteller bedeuten. Nachdem Galliumnitrid erstmalig vor 20 Jahren als Transistor genutzt wurde und seit über einer Dekade serienmäßig in der Hochfrequenztechnik eingesetzt wird, erobert es nun die Mainstream-Leistungselektronik. Angesichts eines geschätzten Marktvolumens von 200 Mio. US-$ im Jahr 2020 und einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 80% bis 2020 haben sich viele neue Akteure in diesen Bereich begeben und in einem außergewöhnlichen Tempo neue Bauelemente eingeführt.

Die Eigenschaften von Galliumnitrid

Anfang der 2000er Jahre wurden die ersten GaN-Transistoren vorgestellt. Eine vorteilhafte Zusammensetzung chemisch-physikalischer Eigenschaften bei GaN öffnet diesem Material weitere Perspektiven in verschiedenen Bereichen der Elektronik und Leistungselektronik aufgrund einer 10-fach höheren Durchbruchfeldstärke im Vergleich zu Silizium, der hohen Elektronenbeweglichkeit und Trägerdichte, einer sehr schnellen Träger-Rekombination und nicht zuletzt einer hohen maximalen Sperrschicht-Temperatur von über 400 °C.

Die hohe Sättigungsgeschwindigkeit der Elektronen im zweidimensionalen Elektronengas in Verbindung mit hoher Durchbruchsspannung sowie einer guten thermischen und chemischen Resistenz ermöglichen die Herstellung hochfrequenztauglicher Leistungstransistoren. Potenzielle Anwendungen von GaN-basierten Bauelementen bei höheren Frequenzen und Temperaturen machen das Galliumnitrid zu einer sinnvollen Alternative zu Silizium, dazu ermöglicht GaN eine Reduzierung der Gerätegröße und des Systemgewichts durch die Verringerung der passiven Bauelemente.

Die Struktur des Hybrid Drain Gate Injection Transistors

Bislang vorgestellte GaN-Schalter im 600-V-Bereich hatten einen Nachteil: Im Normalzustand sind sie selbstleitend (normally on). Anders als MOSFETs leiten sie also Strom, wenn keine Gate-Spannung anliegt. Nur durch eine negative Gate-Spannung lassen sich GaN-Transistoren wirklich sicher ausschalten. Dies hat verhindert, dass sie im Markt weite Verbreitung fanden.

Als Gegenmaßnahme haben manche Chip-Hersteller eine Kaskodenstruktur implementiert, um ein selbstsperrendes Bauteil (normally off) zu erhalten. Wesentliche Nachteile der Kaskodenstruktur bestehen darin, dass es nicht möglich ist, die Schaltgeschwindigkeit des GaN-Elements direkt zu steuern, dass solche Bauteile offensichtlich komplexer zu fertigen sind und die zusätzlichen Bond-Drähte die parasitäre Induktivitäten weiter erhöhen. Nachdem sich GaN-Leistungsschalter an der Schwelle von innovativer Technologie zu zuverlässigen, energiesparenden Leistungsschaltern befinden, präsentiert Panasonic nun Bauelemente und Anwendungen, die sich das große Potenzial der Galliumnitrid-Leistungshalbleiter erstmal voll zu Nutze machen.

Transistoren mit der Bezeichnung Panasonic X-GaN sind eine Weiterentwicklung der High-Electron-Mobility-Transistor-Struktur (HEMT), bei der ein 2D-Elektrodengas an der Grenzfläche zwischen zwei Materialien unterschiedlicher Bandlücke entsteht und äußerst beweglich ist. Eine p-dotierte Gatter-Struktur verleiht dabei den Transistoren ihr Normally-off-Verhalten (Bild 1)

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Wie komplex. Das man ein 4€ treiber braucht für ein 350 mohm transistor hat kein verhältnis  lesen
posted am 03.05.2017 um 12:15 von Unregistriert


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