Den Innenwiderstand von SiC-MOSFET um zwei Drittel senken

| Redakteur: Gerd Kucera

Silizium für Power Devices: Ob aller Vorteile von SiC und GaN können Leistungshalbleiter durch eine geschickte Schaltungstopologie auch künftig noch in vielen Schaltungen punkten.
Silizium für Power Devices: Ob aller Vorteile von SiC und GaN können Leistungshalbleiter durch eine geschickte Schaltungstopologie auch künftig noch in vielen Schaltungen punkten. (Bild: Gerd Kucera)

Mehr als 50 Jahre führt Silizium die Branche der Leistungshalbleiter an. Doch Devices mit großer Bandlücke rücken stetig vor. Jetzt wissen Forscher, wie sich der SiC-Widerstand weiter senken lässt.

Silizium-Karbid, kurz SiC, ist der Halbleiter der Wahl für viele elektrische Leistungsanwendungen. Da hier naturgemäß ein höherer Strom fließt, spielt der elektrische Widerstand eine entscheidende Rolle für die Verlustleistung und damit die Energieeffizienz der Komponenten.

Kollisionen bremsen die Elektronen aus

Japanische Forscher haben herausgefunden, dass sich der elektrische Widerstand von Siliziumkarbid um zwei Drittel reduziert, wenn sie die Streuung von Elektronen im Material unterdrücken. Das könnte zum Aufbau von Leistungshalbleitern mit deutlich geringerer Verlustleistung führen.

Die Forschergruppe, bestehend aus Wissenschaftlern der Universität Tokyo und Mitarbeitern von Mitsubishi Electric, hat nach Angaben von eenewseurope.com drei Mechanismen identifiziert, die maßgeblich für die Streuung der Elektronen (Scattering) im Halbleitermaterial verantwortlich sind: die Mikrorauheit der Oberfläche des SiC-Kanals am Übergang zwischen SiC und dem Gate-Oxid, Bewegungen der Ladungen unterhalb dieser Oberfläche sowie Schwingungen einzelner Atome. Treffen Elektronen, die parallel von der Quelle zur Senke fließen, auf diese sich zufällig bewegenden Hindernisse, werden sie abgelenkt. Durch diese Streuung steigt offenbar der elektrische Widerstand im SiC-Kanal.

Wie Mitsubishi anhand von Messungen an realen Komponenten nachweisen konnte, haben besonders die Ladungsbewegungen und die atomaren Schwingungen großen Anteil an diesem Effekt. Dazu hat das Unternehmen einen planaren SiC-Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (SiC-MOSFET) gefertigt. In diesem Bauteil bewegten sich die Elektronen einige Nanometer von der SiC-Grenzschicht entfernt.

Da die negativen Ladungsteilchen weniger mit den sich vereinzelt bewegenden Ladungen an diesem Übergang kollidierten, wurde eine Streuung der Elektronen unterdrückt. Das Ergebnis: Im Vergleich mit einem anderen, herkömmlichen planaren SiC-MOSFET konnten die Forscher einen Rückgang des elektrischen Widerstands um zwei Drittel nachweisen. Eine Reduktion des Materialinnenwiderstands von SiC-Leistungshalbleitern in dieser Größenordnung habe laut Wissenschaftler das Potenzial, erheblich zum Verringern des weltweiten Energieverbrauchs beizutragen.

Höhere Anforderungen beflügeln die WBG-Devices

Neben der Effizienzsteigerung von etwa Stromversorgungen (hier zählt jedes Zehntel Prozent mehr an Wirkungsgrad) ist die Miniaturisierung ein wichtigstes Ziel in Systementwicklungen. Verbesserte Wide-Band-Gap-Halbleiter wie GaN und SiC ermöglichen regelmäßig belegbare Fortschritte. In Kfz-Hybridantrieben etwa konnten Hersteller durch Siliziumkarbid den Kraftstoffverbrauch senken, den Bauraum für Umrichter reduzieren und so Gewicht einsparen.

Diskussionen über den Praxiseinsatz von Halbleitern mit großem Bandabstand bleiben aber wohl weiterhin kontrovers. Oft dienten theoretische Konzepte als Basis, so Experten. Das seit Jahrzehnten im Niedervoltbereich eingesetzte Halbleitermaterial GaAs (Galliumarsenid) habe sogar vergleichbare und in bestimmten Applikationen bessere Eigenschaften als die beiden Wide-Bandgap-Materialien SiC und GaN. Und mit Galliumoxid zeige sich mittelfristig ein weiterer vielversprechender Kandidat. Bis dahin aber hat Silizium auch noch ausreichend Entwicklungspotenzial. Denn geschickte Schaltungsauslegung erlaubt Designs mit weiter reduzierten Schaltverlusten.

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Eine interessante Entwicklung und zweifelsohne sehr nutzbringend. Aber bei 66% kleinerem...  lesen
posted am 06.12.2018 um 12:38 von Unregistriert


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