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.

MerkmalSi (Silizium)SiC (Siliziumkarbid)
BandlückeEtwa 1,12 eVEtwa 3,26 eV (4H-SiC)
DurchbruchfeldstärkeEtwa 0,3 MV/cmEtwa 3 MV/cm (etwa das Zehnfache von Silizium)
WärmeleitfähigkeitEtwa 1,5 W/(cm·K)Hoch (etwa das Dreifache von Silizium)
Intrinsische Ladungsträgerdichte bei RaumtemperaturEtwa 1×10¹⁰ cm⁻³Sehr gering (etwa 10⁻⁹ cm⁻³). Die durch Dotierung festgelegten Eigenschaften bleiben auch bei hohen Temperaturen gut erhalten
Typische Bauelemente für hohe SperrspannungenIGBTs. Bei niedrigen Sperrspannungen Leistungs-MOSFETs und Superjunction-MOSFETsMOSFETs und Schottky-Dioden. Auch bei hohen Sperrspannungen sind unipolare Bauelemente ohne Minoritätsträger möglich
SchaltverlusteBei IGBTs erhöht der Tail-Strom beim Abschalten die Verluste, was höhere Frequenzen erschwertKein Tail-Strom und kaum Sperrverzögerung der Diode, daher geringe Verluste und Betrieb bei hohen Frequenzen möglich
Typische SperrspannungBreites Spektrum von einigen zehn V bis einige kV (hohe Sperrspannungen mit IGBTs)Schwerpunkt etwa 650 V bis 3,3 kV
Betrieb bei hohen TemperaturenSperrschichttemperatur in der Regel bis etwa 150 bis 175 °CDas Material selbst ist hochtemperaturfest. Die tatsächliche Obergrenze wird oft durch die Zuverlässigkeit von Gehäuse, Verbindungsmaterialien und Gateoxid bestimmt
Wafer und KostenWafer mit großem Durchmesser bis 300 mm sind günstig verfügbar, die Fertigungstechnik ist ausgereiftÜberwiegend 150 mm, der Übergang auf 200 mm ist im Gange. Das Kristallwachstum ist schwierig, Wafer und Chips sind teuer
Wichtigste HerausforderungenBei hohen Sperrspannungen und hohen Frequenzen nähert man sich den physikalischen Grenzen des MaterialsQualität und Zuverlässigkeit der Grenzfläche zum Gateoxid, Degradation der Body-Diode durch Kristalldefekte, Störungen durch schnelles Schalten
Typische AnwendungenNetzteile für Haushaltsgeräte und PCs, Industriewechselrichter, viele Stromversorgungsschaltungen im FahrzeugTraktionswechselrichter für Elektrofahrzeuge, Bordladegeräte, Schnellladestationen, Solarwechselrichter, Bahntechnik

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Si (Silizium)
Wenn die Kosten im Vordergrund stehen: Netzteile bis einige hundert V oder Hochstrom-Wechselrichter mit nicht allzu hoher Schaltfrequenz. Bewährtheit und hohe Liefermengen sind weitere Stärken.
SiC (Siliziumkarbid)
Wenn bei hohen Spannungen die Verluste gesenkt oder Geräte kleiner und leichter werden sollen. In Elektrofahrzeugen steigt der Wirkungsgrad des Wechselrichters, sodass sich mit derselben Batterie die Reichweite erhöht.
Auswahl
Da SiC-Bauelemente teuer sind, verbreiten sie sich zuerst in Anwendungen, in denen die Vorteile auf Systemebene – geringere Verluste sowie kleinere Kühlung und passive Bauteile – die höheren Bauelementkosten übersteigen. Für besonders schnelles Schalten bei Spannungen bis einige hundert V kommt auch GaN in Frage.

Häufige Fragen

Warum eignet sich SiC besser als Silizium für hohe Sperrspannungen?

Weil seine Durchbruchfeldstärke etwa zehnmal so hoch ist wie die von Silizium. Die für eine bestimmte Sperrspannung nötige Driftschicht kann etwa auf ein Zehntel verdünnt und die Dotierung etwa verhundertfacht werden, wodurch der Durchlasswiderstand stark sinkt.

Ersetzen SiC-MOSFETs Silizium-IGBTs?

In Anwendungen, in denen der Wirkungsgrad im Vordergrund steht, etwa in Wechselrichtern von Elektrofahrzeugen, schreitet die Ablösung voran. Da SiC-Bauelemente jedoch teuer sind, bleiben Silizium-IGBTs in kostensensiblen Anwendungen und in Hochstrom-Industrieanwendungen weiterhin verbreitet.

Welche Nachteile hat SiC?

Wafer und Chips sind teuer, viele Kristalldefekte erschweren eine hohe Ausbeute, und die geringe Qualität der Grenzfläche zum Gateoxid führt zu einer niedrigen Kanalbeweglichkeit. Zudem sind wegen des schnellen Schaltens Maßnahmen gegen Störungen und Überspannungen durch steile Spannungsflanken nötig.

Wann setzt man SiC und wann GaN ein?

SiC wird in vertikalen Bauelementen eingesetzt, ist stark bei hohen Sperrspannungen und großen Strömen und eignet sich für Wechselrichter in Elektrofahrzeugen und Industrieanwendungen. GaN setzt vor allem auf laterale HEMTs, schaltet bei Spannungen bis etwa 650 V sehr schnell und wird in kompakten Ladegeräten und Stromversorgungen für Rechenzentren eingesetzt.

Verständnis prüfen

Was ist der Hauptgrund, warum SiC (Siliziumkarbid) gegenüber Si für Leistungsbauelemente mit hoher Sperrspannung vorteilhaft ist?

  1. AWeil die Durchbruchfeldstärke mit etwa dem 10-Fachen von Si hoch ist
  2. BWeil die Bandlücke kleiner als bei Si ist
  3. CWeil Wafer billiger als bei Si sind und sich leichter auf große Durchmesser bringen lassen
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Antwort: A. Weil die Durchbruchfeldstärke mit etwa dem 10-Fachen von Si hoch ist

SiC hat mit etwa 3.3 eV eine große Bandlücke und eine Durchbruchfeldstärke von etwa dem 10-Fachen von Si (etwa 3 MV/cm). Bei gleicher Sperrspannung kann die Driftschicht etwa 1/10 so dick und die Dotierstoffkonzentration etwa 100-mal so hoch sein, sodass der Widerstand der Driftschicht theoretisch um einige hundert Faktoren sinkt. Auch die Wärmeleitfähigkeit ist etwa das 3-Fache von Si und hält hohen Temperaturen stand, weshalb es zunehmend z. B. in Wechselrichtern von Elektrofahrzeugen eingesetzt wird. Wafer sind jedoch teurer als aus Si, und die Umstellung auf große Durchmesser (8 Zoll) ist noch im Gang.

Wie heißt der Oberbegriff für Halbleiter wie SiC und GaN, deren Bandlücke größer als die von Silizium ist?

  1. AHalbleiter mit großer Bandlücke (Wide-Bandgap-Halbleiter)
  2. BHalbleiter mit schmaler Bandlücke (Narrow-Gap-Halbleiter)
  3. CAmorphe Halbleiter
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Antwort: A. Halbleiter mit großer Bandlücke (Wide-Bandgap-Halbleiter)

Halbleiter mit einer Bandlücke von etwa 2 bis 3 eV oder mehr heißen Wide-Bandgap-Halbleiter; typisch sind SiC (etwa 3,3 eV) und GaN (etwa 3,4 eV). Wegen der hohen Durchbruchfeldstärke und wenigen intrinsischen Ladungsträger arbeiten sie leicht auch bei hohen Temperaturen und werden für Leistungsbauelemente mit hoher Sperrspannung und geringen Verlusten sowie für Hochfrequenzbauelemente eingesetzt. Noch größere wie Ga2O3 (etwa 4,8 eV) und Diamant (etwa 5,5 eV) heißen Ultra-Wide-Bandgap-Halbleiter.

Was ist der Hauptvorteil des Einsatzes von SiC-Leistungsbauelementen in Wechselrichtern von Elektrofahrzeugen?

  1. ASie sind stets billiger als Silizium
  2. BDie Verluste sind klein, was zu größerer Reichweite und kleineren Kühleinrichtungen führt
  3. CDer Motor wird überflüssig
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Antwort: B. Die Verluste sind klein, was zu größerer Reichweite und kleineren Kühleinrichtungen führt

SiC-Bauelemente haben geringen Durchlasswiderstand und geringe Schaltverluste und vertragen hohe Temperaturen, sodass die Wechselrichterverluste von Elektrofahrzeugen sinken. Geringere Verluste verlängern die Fahrstrecke mit derselben Batterie um einige Prozent bis etwa ein Zehntel, und Kühlung und Wechselrichter können kleiner und leichter ausfallen. Seit dem breiten Einsatz im Tesla Model 3 (2018) setzen sie sich durch, und besonders groß ist die Wirkung bei 800-V-Hochvoltbatterien. Eine Herausforderung sind die höheren Kosten als bei Si-IGBTs.

  1. Was ist der Hauptvorteil von SiC-Schottky-Barrier-Dioden als Freilaufdioden z. B. in Wechselrichtern?
  2. Welches ist eine bekannte Herausforderung von SiC-MOSFETs?
  3. Welche Ursache ist dafür bekannt, dass sich die Eigenschaften eines SiC-MOSFET verschlechtern können, wenn dauerhaft Strom durch die Body-Diode fließt?

Übungsfragen zu Leistungshalbleiter

Wichtige Begriffe erklärt

SiC (Siliziumkarbid)
Halbleiter mit großer Bandlücke von etwa 3,3 eV. Wegen der hohen Durchbruchfeldstärke wird er für Leistungsbauelemente mit hoher Sperrspannung und geringen Verlusten eingesetzt.
4H-SiC
Einer der Polytypen von SiC, der hauptsächlich für Leistungsbauelemente verwendet wird. Er hat eine große Bandlücke von etwa 3,3 eV und eine relativ hohe Elektronenbeweglichkeit.
IGBT
Bipolartransistor mit isoliertem Gate. Er wird über ein MOS-Gate angesteuert und erreicht durch Leitfähigkeitsmodulation auch bei hoher Sperrspannung eine niedrige Durchlassspannung.
Durchlasswiderstand (R_on)
Widerstand des Strompfads eines eingeschalteten Leistungshalbleiters. Je kleiner, desto geringer sind die Durchlassverluste.
Tail-Strom
Strom, der beim Ausschalten eines IGBT wegen der gespeicherten Minoritätsträger nicht sofort auf 0 fällt, sondern als Schweif weiterfließt. Ursache der Ausschaltverluste.
Halbleiter mit großer Bandlücke (Wide-Bandgap)
Halbleiter mit größerer Bandlücke als Silizium, z. B. SiC und GaN. Hohe Durchbruchfeldstärke; robust bei hoher Spannung und hoher Temperatur.

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