Was ist Leistungshalbleiter (Leistungsbauelement)?
Halbleiterbauelement, das hohe Spannungen und große Ströme schaltet, um elektrische Energie umzuwandeln und zu steuern. Auch Leistungsbauelement genannt. Dazu gehören Dioden, Leistungs-MOSFETs, IGBTs und Thyristoren; als Materialien dienen Si, SiC und GaN.
Japanische Bezeichnung: パワー半導体
„Leistungshalbleiter (Leistungsbauelement)“ kommt in 56 Übungsfragen aus 15 Themen vor, z. B. Leistungshalbleiter, Epitaxie, Halbleiterindustrie und Markt.
Leistungshalbleiter (Leistungsbauelemente) sind die Halbleiterbauelemente, mit denen elektrische Energie umgewandelt und gesteuert wird. Beim Gleichrichten von Wechsel- in Gleichstrom, im Wechselrichter, der Gleich- in Wechselstrom umsetzt, im DC-DC-Wandler, der eine Spannung in eine andere umsetzt, und beim Antrieb von Motoren schalten sie als Schalter den Strom ein und aus. Logik- und Speicher-ICs verarbeiten kleine Signale bei Versorgungsspannungen um 1 V und haben ihre Integrationsdichte durch Skalierung gesteigert. Leistungshalbleiter dagegen sperren als Richtwert einige zehn Volt bis mehrere Kilovolt und führen Ströme von einigen Ampere bis zu Tausenden Ampere. Um eine hohe Spannung zu sperren, braucht es eine dicke, schwach dotierte Driftschicht; deshalb sind die meisten Leistungshalbleiter vertikal aufgebaut, und der Strom fließt von der Oberseite des Chips zur Rückseite. Angeboten werden sie als diskrete Halbleiter mit einem Bauelement pro Gehäuse oder als Leistungsmodule, die mehrere Chips auf einem isolierenden Substrat kombinieren, um große Ströme zu führen.
Die wichtigsten Bauelementtypen
Dioden haben keinen Steueranschluss und dienen zum Gleichrichten sowie in Wechselrichtern als Freilaufdioden; neben der pn-Diode gibt es die Schottky-Diode, die fast keine Sperrverzögerung hat. Der Leistungs-MOSFET leitet nur mit Majoritätsträgern und schaltet deshalb schnell; in Silizium wird er vor allem bis zu einigen hundert Volt in Netzteilen eingesetzt. IGBTs sind über ein MOS-Gate angesteuerte bipolare Bauelemente, deren Leitfähigkeitsmodulation die Durchlassspannung auch bei hoher Sperrspannung niedrig hält; in Silizium sind sie im Bereich von etwa 600 V bis 6,5 kV der wichtigste Schalter für Wechselrichter von Elektrofahrzeugen, Bahnantriebe und industrielle Motorantriebe. Thyristoren sind pnpn-Bauelemente mit vier Schichten, die nach dem Zünden über das Gate leiten, bis der Strom unter den Haltestrom fällt; sie dienen der Phasenanschnittsteuerung von Wechselstrom und der Umwandlung sehr hoher Spannungen und Ströme, etwa bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ).
Materialien: Si, SiC und GaN
Am häufigsten wird nach wie vor Silizium (Si) verwendet, dank großer Wafer und ausgereifter, kostengünstiger Fertigung. Siliziumkarbid (SiC, Bandlücke etwa 3,3 eV) und Galliumnitrid (GaN, etwa 3,4 eV) sind Halbleiter mit großer Bandlücke, deren Durchbruchfeldstärke etwa zehnmal so hoch ist wie die von Silizium. Dieselbe Spannung lässt sich daher mit einer dünneren, höher dotierten Driftschicht sperren, was Durchlasswiderstand und Schaltverluste stark senkt. SiC wird vor allem in Form von MOSFETs und Schottky-Dioden ab der 600-V-Klasse in Wechselrichtern von Elektrofahrzeugen, Schnellladegeräten und Solarwechselrichtern eingesetzt. GaN-Bauelemente sind meist laterale HEMTs auf Siliziumsubstraten und werden bis zu einigen hundert Volt dort eingesetzt, wo schnelles Schalten Vorteile bringt, etwa in kompakten Netzteilen und Serverstromversorgungen.
Verluste und wichtige Anwendungen
Die Verluste teilen sich in Durchlassverluste durch den Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand und Schaltverluste durch die Überlappung von Spannung und Strom bei jedem Umschalten. Der Durchlassverlust ist beim MOSFET das Quadrat des Stroms mal der Durchlasswiderstand, bei IGBT und Diode ungefähr die Durchlassspannung mal der Strom; der Schaltverlust ist die pro Schaltvorgang verlorene Energie mal die Schaltfrequenz. Alle Verluste werden zu Wärme, deshalb sind Gehäuse mit geringem Wärmewiderstand und eine gute Kühlung nötig, um die Sperrschichttemperatur unter ihrem Nennwert zu halten (bei Silizium typischerweise 150 bis 175 °C). Wichtige Anwendungen sind Traktionswechselrichter und Bordladegeräte von Elektro- und Hybridfahrzeugen, Schaltnetzteile für PCs und Server, Bahnantriebe, Wechselrichter in Haushaltsgeräten wie Klimaanlagen, industrielle Motorantriebe, die Umwandlung von Solar- und Windstrom sowie Anlagen der Energieübertragung.
Jetzt üben: Fragen zu Leistungshalbleiter (Leistungsbauelement)
AWeil die Durchbruchfeldstärke mit etwa dem 10-Fachen von Si hoch ist
BWeil die Bandlücke kleiner als bei Si ist
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 auf einige Hundertstel sinkt. Auch die Wärmeleitfähigkeit ist etwa das 3-Fache von Si, und SiC 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 Mitte der 2020er-Jahre noch im Gang.
Schaltverluste entstehen dadurch, dass im Moment des Umschaltens Spannung und Strom gleichzeitig vorhanden sind, und betragen „Verlust pro Schaltvorgang × Schaltfrequenz“. Bei zehnfacher Frequenz sind auch die Schaltverluste zehnfach. Leitverluste im Einschaltzustand betragen dagegen I²R beim MOSFET bzw. etwa Sättigungsspannung × Strom beim IGBT und hängen nicht von der Frequenz ab. Da sich bei höherer Frequenz Spulen und Kondensatoren verkleinern lassen, geht der Trend in jüngerer Zeit zu höheren Frequenzen mit SiC und GaN, die geringe Schaltverluste haben.
Häufige Fragen
Wie unterscheiden sich Leistungshalbleiter von Logik-ICs?
Logik- und Speicher-ICs verarbeiten und speichern Informationen bei niedriger Spannung und integrieren sehr viele Transistoren. Leistungshalbleiter verarbeiten die Energie selbst und schalten Spannungen von einigen zehn Volt bis mehreren Kilovolt sowie große Ströme. Um hohe Spannungen zu sperren, sind sie meist vertikal mit dicker Driftschicht aufgebaut und werden als Einzelbauelemente oder in Modulen eingesetzt.
Welche Arten von Leistungshalbleitern gibt es?
Die wichtigsten sind Dioden zum Gleichrichten und als Freilaufdioden (pn-Dioden und Schottky-Dioden), Leistungs-MOSFETs für schnelles Schalten, IGBTs für hohe Spannungen und große Ströme sowie Thyristoren für die Umwandlung sehr hoher Spannungen und Ströme. Die Wahl richtet sich nach Spannung, Strom und Schaltfrequenz der Anwendung.
Warum sind Leistungshalbleiter aus SiC und GaN denen aus Silizium überlegen?
SiC und GaN haben eine große Bandlücke und eine etwa zehnmal höhere Durchbruchfeldstärke als Silizium. Sie sperren dieselbe Spannung mit einer viel dünneren Driftschicht und erreichen so einen geringeren Durchlasswiderstand und geringere Schaltverluste. Netzteile und Wandler werden effizienter und kleiner, Substrate und Bauelemente sind aber noch teurer als bei Silizium.
„Leistungshalbleiter (Leistungsbauelement)“ in den Erläuterungen
Das Gate von Leistungsbauelementen hat eine große Kapazität im Bereich einiger nF, und für schnelles Schalten muss es in kurzer Zeit mit einem Strom von einigen A geladen und entladen werden.
GaN-Leistungsbauelemente schalten schnell mit einigen hundert kHz bis MHz, sodass Transformatoren und Kondensatoren im Ladegerät klein ausfallen können und kleine, leistungsstarke Ladegeräte mit etwa halbem Volumen bei gleicher Leistung möglich wurden.
Leistungshalbleiter sind Bauelemente, die große Leistung für Motorantriebe oder Spannungsumsetzung in Netzteilen durch Schalten effizient steuern und wandeln; dazu zählen Dioden, MOSFETs, IGBTs und Thyristoren.