SiC-MOSFET

Tipps für den Umstieg vom IGBT zum SiC-MOSFET

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Die Lebensdauer der Gate-Oxid-Schicht

Wie Bild 1 zeigt, führte ROHM unlängst die dritte Generation seiner SiC-MOSFETs ein. Es handelt sich dabei um die ersten Bausteine mit Trench-Gate im Unterschied zu den Planar-Gate-Versionen der vorherigen Generationen. Bei dieser neuen Struktur fällt der Widerstand des parasitären JFET innerhalb der Struktur praktisch weg. Die Folge ist eine Halbierung des (auf die Fläche umgerechneten) spezifischen Einschaltwiderstands [2].

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Bild 2 verdeutlicht die von ROHM verwendete Trench-Struktur (auch als U-Struktur bezeichnet). Wie man sieht, ist das elektrische Feld in der Umgebung der Grenzschicht zwischen SiC und SiO2 im gesperrten Zustand deutlich schwächer als bei der konventionellen Struktur. Dies bürgt für eine lange Gate-Oxid-Lebensdauer auch bei Betriebsspannungen, die in der Nähe der Nennspannung liegen.

Um den SiC-MOSFET einzuschalten, wird eine Spannung zwischen Gate und Source angelegt. Es ist möglich, die Lebensdauer des Gateoxides durch einen Beschleunigungstest einzuschätzen, mit entsprechend hohen Spannungen am Gate. Aus einer bestimmten Anzahl von Messpunkten kann die Lebensdauer bis auf typische Gate-Spannungswerte extrapoliert werden (siehe Bild 3). Für die dritte Generation der SiC-MOSFETs von ROHM ist die eingeschätzte Lebensdauer viel länger als die typischen Anforderungen der industriellen Anwendungen.

Die Beständigkeit gegen weitere Ereignisse wie Kurzschlüsse und Avalanche-Durchbrüche wurde in Labortests von ROHM nachgewiesen. Die Definition von Parametern wie Kurzschlussfestigkeit (Short-Circuit Withstand Time – SCWT) und Avalanche-Energie sind in Vorbereitung.

In der Zwischenzeit sollten Kurzschluss- und Avalanche-Vorfälle in Systemebene vermieden werden. Solche Lösungen werden heutzutage bei dem Einsatz von IGBTs bereits berücksichtigt, da diese Bauteile keine Avalanche-Beständigkeit garantieren können. Außerdem, haben neue Ultrafast-Silizium-IGBTs keine oder sehr kleine Kurzschlussfestigkeit. Trotzdem sind sie häufig in industriellen Anwendungen anzutreffen.

Beständigkeit gegen kosmische Strahlung

Das Phänomen der kosmischen Strahlung ist in der Literatur umfassend beschrieben [3]. Es kann ein kritischer Aspekt insbesondere für solche Anwendungen sein, deren Betriebsspannung sehr nah an der Nennspannung des Schalters liegt. Dies trifft beispielsweise für PV-Wechselrichter und unterbrechungsfreie Stromversorgungen zu.

Durch kosmische Strahlung verursachte Ausfälle treten zufällig während der Lebensdauer eines Halbleiterbausteins auf, wobei sich die Ausfallrate (Failure in Time – FIT) eines Bausteins mit beschleunigten Tests prognostizieren lässt. Wie die Testergebnisse in Bild 4 darstellen, nimmt der FIT-Wert in der Regel exponentiell mit der Sperrspannung zu. In der Abbildung werden Bausteine auf Siliziumbasis (IGBTs und MOSFETs) mit SiC-MOSFETs von ROHM Semiconductor verglichen, wobei alle Bauelemente den gleichen Nennstrom und die gleiche Nennspannung haben. Wie man sieht, ist der FIT-Wert der SiC-MOSFETs um bis zu drei Größenordnungen geringer als der entsprechender Silizium-Bauelemente.

Der Grund für diese signifikante Verbesserung liegt in einigen Eigenschaften der SiC-MOSFETs, die für ihre Beständigkeit gegen kosmische Strahlung sorgen. Unter anderem ist die bei gleicher Stromtragfähigkeit kleinere Chipfläche anzuführen, sowie der größere Abstand der elektrischen Feldstärke im gesperrten Zustand zur Durchbruchfeldstärke des Werkstoffs.

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