SiC-Halbleiter Siliziumkarbid für ein besseres Power Management

Autor / Redakteur: Jochen Hüskens * / Gerd Kucera

Viele ernsthafte Probleme bei den SiC-Halbleitern sind beseitigt. Wie sich die spezifischen Eigenschaften aktueller SiC-Dioden, SiC-MOSFETS und SiC-Power-Module nutzen lassen, zeigt dieser Beitrag.

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Bild 1: Die gegenüber Silizium überlegenen SiC-Eigenschaften werden durch die erfolgreichen Weiterentwicklungen einem immer breiteren Anwendungsbereich zugänglich.
Bild 1: Die gegenüber Silizium überlegenen SiC-Eigenschaften werden durch die erfolgreichen Weiterentwicklungen einem immer breiteren Anwendungsbereich zugänglich.
(Bild: ROHM)

Beginnen wir bei den SiC-Schottky-Dioden: Im Vergleich zu FRDs (Fast Recovery Diodes) auf Siliziumbasis zeichnen sich SiC-Schottky-Dioden durch erheblich geringere Sperrverzögerungsströme und kürzere Sperrverzögerungszeiten aus. Damit verbundene Verluste und Störaussendungen werden daher drastisch reduziert. Diese Eigenschaften sind außerdem über den gesamten Strom- und Betriebstemperaturbereich weitgehend gleich – anders als bei Silizium-FRDs.

Die von ROHM entwickelten SiC-Schottky-Dioden umfassen derzeit Versionen für die Spannungen 650 V (also weit oberhalb der mit Silizium-Schottky-Dioden möglichen Werte) und 1200 V mit Stromtragfähigkeiten von 5 bis 55 A.

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In Durchlassrichtung weisen SiC-Schottky-Dioden ähnliche Schwellenspannungen wie Si-FRDs auf, nämlich knapp unter 1 V. Die Schwellenspannung wird durch die Höhe der Schottky-Barriere bestimmt, d.h. eine niedrige Barriere ergibt eine geringe Schwellenspannung und einen hohen Leckstrom in Sperrrichtung.

In den Schottky-Dioden der zweiten Generation wurde der Prozess weiter verbessert und die Schwellenspannung gesenkt, während der Leckstrom und das Sperrverzögerungsverhalten unverändert blieben. Anders als bei Si-FRDs nimmt der Vf-Wert mit der Temperatur zu. SiC-Schottky-Dioden weisen einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, sodass es hier im Falle einer Parallelschaltung zu keinem thermischen Durchgehen kommt.

Bei schnellen pn-Dioden auf Siliziumbasis entsteht kurzzeitig eine hohe Stromspitze, wenn die an der Sperrschicht liegende Spannung ihr Vorzeichen wechselt. Beträchtliche Schaltverluste sind die Folge. Ursache für dieses Phänomen sind Minoritätsträger, die sich in der Driftregion sammeln, während die Diode bei angelegter Vorwärtsspannung leitend ist. Je höher der Strom in Durchlassrichtung (oder die Temperatur) ist, umso mehr steigen die Sperrverzögerungszeit und der Sperrverzögerungsstrom an.

Die Funktion von SiC-Schottky-Dioden basiert dagegen auf Majoritätsträgern. Bei diesen unipolaren Bauelementen sind keine Minoritätsträger an der elektrischen Leitung beteiligt und es werden folglich auch keine Minoritätsträger gespeichert.

Bei SiC-Schottky-Dioden entsteht der Sperrverzögerungsstrom ausschließlich durch das Entladen der Sperrschichtkapazität, und die Schaltverluste sind deutlich niedriger als bei Si-FRDs.

Unter allen Bedingungen wird ein stabiles, schnelles Sperrverzögerungsverhalten erzielt, da die Stromspitze nahezu unabhängig von der Temperatur und vom Durchlassstrom ist. In der Konsequenz entstehen bei SiC-Schottky-Dioden durch den Sperrverzögerungsstrom erheblich weniger Störungen.

SiC-MOSFETS und ihre besonderen Eigenschaften

Silizium-Leistungshalbleiter mit höheren Durchbruchspannungen weisen einen erheblich größeren On-Widerstand pro Flächeneinheit auf, denn dieser steigt mit der 2,0- bis 2,5-fachen Potenz der Durchbruchspannung an. Aus diesem Grund kommen bei Durchbruchspannungen von 600 V und höher vorwiegend IGBTs zum Einsatz.

Diese haben einen niedrigeren On-Widerstand, weil bei ihnen Minoritätsträger in die Driftregion injiziert werden (Modulation der Leitungsfähigkeit). Allerdings führen diese Minoritätsträger beim Abschalten zum Entstehen eines sogenannten Stromschweifs (Tail-Strom), durch den beträchtliche Schaltverluste entstehen.

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