Ein Plädoyer für den Einsatz von SiC-Devices

| Autor / Redakteur: Zhongda Li * / Gerd Kucera

Bild 1: Aufbau einer SiC- und GaN-JFET-Zelle.
Bild 1: Aufbau einer SiC- und GaN-JFET-Zelle. (Bild: UnitedSiC)

Mit seiner Bestandsaufnahme zu SiC- und GaN-Halbleitern hält der Autor ein Plädoyer für den Einsatz von SiC-Devices. Die Robustheit der eigenen SiC-Bauteile sei mit 1000 Betriebsstunden nachgewiesen.

Diskussionen über den Praxiseinsatz von Halbleitern mit breitem Bandabstand (WBG; Wide Band-Gap), insbesondere Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), werden weiterhin kontrovers geführt. Beide Technologien versprechen optimale Lösungen für universelles drahtloses Laden bis hin zu kleinsten Leistungswandlern. Basis sind jedoch theoretische Konzepte, die nicht immer der Realität entsprechen.

Blicken wir dazu einen Schritt zurück, um WBG-Halbleiter näher zu beschreiben. Halbleiter verfügen über gebundene Elektronen, die unterschiedliche Abstände um einen Atomkern herum einnehmen (Valenz- und Leitungsband). Elektronen können sich bis zum Leitungsband bewegen und für den Stromfluss zur Verfügung stehen, benötigen dafür aber Energie.

In WBG-Halbleitern ist dieser Energiebedarf viel höher als bei Silizium. So erfordert SiC eine Energie von 3,2 eV (Elektronenvolt) im Vergleich zu 1,1 eV bei Silizium (Si). Die höhere Energie, die benötigt wird, um Elektronen in WBG-Halbleitern in das Leitungsband zu bewegen, führt zu einer höheren Durchbruchspannungs-Leistungsfähigkeit als bei Silizium der gleichen Größenordnung. Aus diesem Grund hält SiC höheren Temperaturen (Wärmeenergie) stand. Zudem bietet das Material eine Wärmeleitfähigkeit, die etwa 3,5mal besser ist als die von Silizium. In der Praxis versprechen diese Eigenschaften einen Hochtemperaturbetrieb bei hohen Spannungs- und Leistungspegeln.

Die ersten SiC-Bauelemente waren einfache Dioden. Die Materialtechnik ist seitdem vorangeschritten und ermöglicht heute JFETs, MOSFETs und sogar Bipolartransistoren. Bild 1 beschreibt eine Zelle eines SiC-JFET mit einem vertikalen Trench-Aufbau, der im Vergleich zu einer GaN-HEMT-Zelle mit lateralem Aufbau einen sehr niedrigen Durchlasswiderstand aufweist.

Obwohl die Bauelemente normalerweise mit einer Gate-Spannung von 0 V durchgeschaltet sind sind, ergibt die Kaskoden-Anordnung eines Si-MOSFET zusammen mit dem SiC-JFET einen Hybridbaustein mit Gate-Treiberspannungen, die zu Si-MOSFETs kompatibel sind, während alle Vorteile von WBG-Halbleitern erhalten bleiben (Bild 2).

WBG-Leistungshalbleiter und was sie versprechen

Später als SiC kam GaN nur schleppend auf den Markt – aufgrund der Kosten, des Ertrags und Problemen hinsichtlich der Zuverlässigkeit. Das Material eignet sich theoretisch für höhere Schaltgeschwindigkeiten als mit SiC oder Silizium, da es eine viel höhere Elektronenbeweglichkeit bietet. Da aber die Wärmeleitfähigkeit von GaN niedriger als die von Silizium ist, ist die Leistungsdichte begrenzt.

Derzeit gibt es SiC-Bauelemente mit 650 bis 1200 V Nennspannung, während GaN auf etwa 650 V beschränkt ist und dort mit den niedrigeren Kosten und der nachgewiesenen Robustheit des ausgereifteren SiC-Angebots bei gleicher Spannung konkurriert. Die GaN-Anbieter hoffen daher, dass sich auf dem Markt mit niedrigeren Spannungen/Leistungen, z.B. in Rechenzentren, Elektro-/Hybrid-Elektro-Fahrzeugen und Fotovoltaik, bessere Chancen ergeben, sofern die erhoffte Kosteneinsparung eintritt. SiC adressiert diese Märkte allerdings auch – insbesondere in Anwendungen mit bidirektionalen DC/DC-Wandlern und Totem-Pole-Leistungsfaktorkorrektur.

SiC ist mittlerweile in der Lieferkette gut etabliert. Entsprechende Bauelemente sind sogar in den Katalogen von High-Service-Distributoren erhältlich, während GaN-Bauteile noch auf Mainstream-Anwendungen warten. Untersuchungen des Marktforschers IHS zeigen, dass diese Aufteilung bis Mitte der 2020er Jahre ähnlich bleiben wird, wobei der gesamte WBG-Markt 3,5 Mrd. US-$ erreicht, doch GaN dann immer noch nur 500 Mio. US-$ zum Umsatz beiträgt.

Ein Faktor, der SiC einen Vorteil in industriellen Systemen verleiht – selbst wenn sich die GaN-Spannungswerte verbessern – ist die Fähigkeit von SiC, Lawinendurchbruch-Spannungsbedingungen zu widerstehen, wie sie bei induktiven Lasten auftreten können. Die Hersteller verfügen über umfangreiche Daten, mit denen sich die Zuverlässigkeit von SiC bei Spannungsüberlastung bestätigt, während GaN keine Ansprüche erhebt, außer dass die maximale Spannung nicht überschritten werden sollte.

Ein erkennbarer Unterschied zwischen SiC und GaN sind die Gehäuse. SiC-Bausteine sind meist in den Ausführungen TO-247 und TO-220 erhältlich, sodass sie als Ersatz für MOSFETs in bestehenden Designs verwendet werden können und sofort ihre Vorteile bieten. GaN-Hersteller haben jedoch erkannt, dass Kunststoffgehäuse mit ihren geschwindigkeitsbegrenzenden Leitungsinduktivitäten ein Hindernis darstellen, um die bestmögliche Leistungsfähigkeit des Bauteils zu erhalten. Daher kommen hauptsächlich SMD-, Single-Source- und Chip-Scale-Gehäuse für GaN zum Einsatz, was die Einführung neuer Designs beschränkt. Hier kann das Systemdesign an die Eigenschaften des GaN-Bauteils angepasst werden, um kleinere passive Bauelemente zu ermöglichen – insbesondere magnetische Komponenten und Kondensatoren.

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