Si vs. SiC: Leistungshalbleiter, Sperrspannung, Verluste, Einsatz
SiC ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke, dessen Bandlücke etwa dreimal und dessen Durchbruchfeldstärke etwa zehnmal so groß ist wie bei Silizium. Bei gleicher Sperrspannung kann die Driftschicht dünner und höher dotiert sein, wodurch der Durchlasswiderstand stark sinkt; so lassen sich auch bei hohen Sperrspannungen schnelle Bauelemente wie MOSFETs und Schottky-Dioden einsetzen. Silizium dagegen bietet günstige Wafer mit großem Durchmesser und eine ausgereifte Fertigungstechnik und ist daher in vielen Anwendungen nach wie vor das Standardmaterial.
| Merkmal | Si (Silizium) | SiC (Siliziumkarbid) |
|---|---|---|
| Bandlücke | Etwa 1,12 eV | Etwa 3,26 eV (4H-SiC) |
| Durchbruchfeldstärke | Etwa 0,3 MV/cm | Etwa 3 MV/cm (etwa das Zehnfache von Silizium) |
| Wärmeleitfähigkeit | Etwa 1,5 W/(cm·K) | Hoch (etwa das Dreifache von Silizium) |
| Intrinsische Ladungsträgerdichte bei Raumtemperatur | Etwa 1×10¹⁰ cm⁻³ | Sehr gering (etwa 10⁻⁹ cm⁻³). Die durch Dotierung festgelegten Eigenschaften bleiben auch bei hohen Temperaturen gut erhalten |
| Typische Bauelemente für hohe Sperrspannungen | IGBTs. Bei niedrigen Sperrspannungen Leistungs-MOSFETs und Superjunction-MOSFETs | MOSFETs und Schottky-Dioden. Auch bei hohen Sperrspannungen sind unipolare Bauelemente ohne Minoritätsträger möglich |
| Schaltverluste | Bei IGBTs erhöht der Tail-Strom beim Abschalten die Verluste, was höhere Frequenzen erschwert | Kein Tail-Strom und kaum Sperrverzögerung der Diode, daher geringe Verluste und Betrieb bei hohen Frequenzen möglich |
| Typische Sperrspannung | Breites Spektrum von einigen zehn V bis einige kV (hohe Sperrspannungen mit IGBTs) | Schwerpunkt etwa 650 V bis 3,3 kV |
| Betrieb bei hohen Temperaturen | Sperrschichttemperatur in der Regel bis etwa 150 bis 175 °C | Das Material selbst ist hochtemperaturfest. Die tatsächliche Obergrenze wird oft durch die Zuverlässigkeit von Gehäuse, Verbindungsmaterialien und Gateoxid bestimmt |
| Wafer und Kosten | Wafer mit großem Durchmesser bis 300 mm sind günstig verfügbar, die Fertigungstechnik ist ausgereift | Überwiegend 150 mm, der Übergang auf 200 mm ist im Gange. Das Kristallwachstum ist schwierig, Wafer und Chips sind teuer |
| Wichtigste Herausforderungen | Bei hohen Sperrspannungen und hohen Frequenzen nähert man sich den physikalischen Grenzen des Materials | Qualität und Zuverlässigkeit der Grenzfläche zum Gateoxid, Degradation der Body-Diode durch Kristalldefekte, Störungen durch schnelles Schalten |
| Typische Anwendungen | Netzteile für Haushaltsgeräte und PCs, Industriewechselrichter, viele Stromversorgungsschaltungen im Fahrzeug | Traktionswechselrichter für Elektrofahrzeuge, Bordladegeräte, Schnellladestationen, Solarwechselrichter, Bahntechnik |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.