Nederlands
Menu

Si versus SiC vermogenshalfgeleiders: materiaal, doorslagspanning, verliezen en toepassingen

SiC is een wide-bandgap-halfgeleider met een bandgap van ongeveer 3 keer en een doorslagveldsterkte van ongeveer 10 keer die van silicium. Bij dezelfde doorslagspanning kan de driftlaag dunner en hoger gedoteerd zijn, zodat de aan-weerstand sterk daalt en ook bij hoge spanning snelle devices zoals MOSFET's en Schottky-barrièrediodes kunnen worden gebruikt. Silicium daarentegen heeft goedkope wafers met een grote diameter en een volwassen productietechniek, en blijft daardoor in veel toepassingen de hoofdrolspeler.

KenmerkSi (silicium)SiC (siliciumcarbide)
BandgapOngeveer 1,12 eVOngeveer 3,26 eV (4H-SiC)
DoorslagveldsterkteOngeveer 0,3 MV/cmOngeveer 3 MV/cm (ongeveer 10 keer die van silicium)
WarmtegeleidingOngeveer 1,5 W/(cm·K)Hoog (ongeveer 3 keer die van silicium)
Intrinsieke ladingsdragerdichtheid bij kamertemperatuurOngeveer 1×10¹⁰ cm⁻³Zeer klein (in de orde van 10⁻⁹ cm⁻³). De door dotering bepaalde eigenschappen blijven ook bij hoge temperatuur goed behouden
Belangrijkste devices voor hoge spanningIGBT's. Bij lagere spanningen vermogens-MOSFET's en superjunction-MOSFET'sMOSFET's en Schottky-barrièrediodes. Ook bij hoge spanning kunnen unipolaire devices zonder minderheidsladingsdragers worden gebruikt
SchakelverliezenBij IGBT's nemen de verliezen toe door de staartstroom bij het uitschakelen, zodat de frequentie moeilijk te verhogen isGeen staartstroom en vrijwel geen sperhersteltijd van de diode, dus lage verliezen en werking bij hoge frequenties
Typische doorslagspanningBreed bereik, van enkele tientallen V tot enkele kV (hoge spanningen met IGBT's)Vooral van 650 V tot ongeveer 3,3 kV
Werking bij hoge temperatuurJunctietemperatuur doorgaans tot ongeveer 150 tot 175 °CHet materiaal zelf is goed bestand tegen hoge temperaturen. De werkelijke bovengrens wordt vaak bepaald door de betrouwbaarheid van de behuizing, het verbindingsmateriaal en het gate-oxide
Wafers en kostenGoedkope wafers met een grote diameter tot 300 mm zijn beschikbaar en de productietechniek is volwassenVooral 150 mm, met een lopende overgang naar 200 mm. De kristalgroei is moeilijk, en wafers en chips zijn duur
Belangrijkste uitdagingenBij hoge spanning en hoge frequentie nadert silicium de grenzen van zijn materiaaleigenschappenKwaliteit en betrouwbaarheid van de grenslaag met het gate-oxide, degradatie van de bodydiode door kristaldefecten, ruis door snel schakelen
Belangrijkste toepassingenVoedingen voor huishoudelijke apparaten en pc's, industriële omvormers, veel voedingsschakelingen in auto'sTractie-omvormers van elektrische auto's, boordladers, snelladers, zonne-omvormers, spoorwegen

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Si (silicium)
Wanneer kosten voorop staan. Gebruikt voor voedingen tot enkele honderden volt en voor omvormers met grote stromen bij een niet al te hoge schakelfrequentie. De lange staat van dienst en de grote leveringscapaciteit zijn ook sterke punten.
SiC (siliciumcarbide)
Wanneer de verliezen bij hoge spanning omlaag moeten, of wanneer een systeem kleiner en lichter moet worden. In elektrische auto's vergroot een efficiëntere omvormer de actieradius met dezelfde batterij.
Keuze
Omdat SiC-devices duur zijn, groeit de toepassing vooral waar de voordelen voor het hele systeem, door lagere verliezen en kleinere koeling en passieve componenten, groter zijn dan de hogere kosten van het device. Voor toepassingen tot enkele honderden volt die bijzonder snel moeten schakelen, is ook GaN een kandidaat.

Veelgestelde vragen

Waarom is SiC beter geschikt dan silicium voor hoge doorslagspanningen?

Omdat de doorslagveldsterkte ongeveer 10 keer die van silicium is. De driftlaag die voor dezelfde doorslagspanning nodig is, kan ongeveer een tiende zo dik zijn en ongeveer 100 keer zo hoog gedoteerd, waardoor de aan-weerstand sterk daalt.

Gaan SiC-MOSFET's silicium-IGBT's vervangen?

In toepassingen waarin efficiëntie belangrijk is, zoals omvormers van elektrische auto's, is de vervanging gaande. SiC-devices zijn echter duur, dus in toepassingen waar kosten voorop staan en in industriële toepassingen met grote stromen blijven silicium-IGBT's breed gebruikt.

Wat zijn de nadelen van SiC?

Wafers en chips zijn duur, er zijn veel kristaldefecten waardoor de opbrengst moeilijk omhoog te krijgen is, en de kwaliteit van de grenslaag met het gate-oxide is laag, waardoor de kanaalmobiliteit klein is. Het snelle schakelen vraagt bovendien om maatregelen tegen ruis en pieken door snelle spanningsveranderingen.

Hoe kies je tussen SiC en GaN?

SiC wordt in verticale devices gebruikt, is sterk bij hoge spanning en grote stromen en past bij omvormers van elektrische auto's en industriële toepassingen. GaN draait vooral om laterale HEMT's, schakelt zeer snel bij spanningen tot ongeveer 650 V en wordt gebruikt in compacte laders en voedingen voor datacenters.

Test uw begrip

Wat is de belangrijkste reden dat SiC (siliciumcarbide) voordelen heeft ten opzichte van Si voor vermogenscomponenten met hoge doorslagspanning?

  1. AOmdat het kritieke doorslagveld ca. 10 keer zo hoog is als dat van Si
  2. BOmdat de bandkloof kleiner is dan die van Si
  3. COmdat de wafers goedkoper zijn dan Si en gemakkelijker in grotere diameters te maken zijn
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Omdat het kritieke doorslagveld ca. 10 keer zo hoog is als dat van Si

SiC heeft een grote bandkloof van ca. 3,3 eV en een kritiek doorslagveld dat ca. 10 keer dat van Si is (ca. 3 MV/cm). Bij dezelfde doorslagspanning kan de driftlaag ca. 1/10 zo dik zijn en de onzuiverheidsconcentratie ca. 100 keer zo hoog, zodat de weerstand van de driftlaag theoretisch honderden malen kleiner is. De warmtegeleiding is ook ca. 3 keer die van Si en het is bestand tegen hoge temperaturen, waardoor het steeds vaker wordt toegepast in onder meer EV-omvormers. Wafers zijn daarentegen duurder dan Si en de overgang naar grotere diameters (8 inch) is nog gaande.

Wat is de verzamelnaam voor halfgeleiders met een grotere bandkloof dan silicium, zoals SiC en GaN?

  1. AHalfgeleiders met brede bandkloof (wide bandgap)
  2. BHalfgeleiders met smalle bandkloof
  3. CAmorfe halfgeleiders
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Halfgeleiders met brede bandkloof (wide bandgap)

Halfgeleiders met een bandkloof van ruwweg 2 tot 3 eV of meer worden wide-bandgap-halfgeleiders genoemd, met SiC (ca. 3,3 eV) en GaN (ca. 3,4 eV) als voornaamste voorbeelden. Ze hebben een hoog kritiek doorslagveld en weinig intrinsieke ladingdragers, waardoor ze ook bij hoge temperatuur gemakkelijk werken, en worden gebruikt voor vermogenscomponenten met hoge doorslagspanning en laag verlies en voor hoogfrequente componenten. Nog bredere materialen zoals Ga2O3 (ca. 4,8 eV) en diamant (ca. 5,5 eV) heten ultra-wide-bandgap-halfgeleiders.

Wat is het belangrijkste voordeel van SiC-vermogenscomponenten in de omvormer van een elektrische auto?

  1. AZe zijn altijd goedkoper dan silicium
  2. BHet verlies is klein, wat leidt tot een groter bereik en een kleinere koelinrichting
  3. CDe motor is niet meer nodig
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Het verlies is klein, wat leidt tot een groter bereik en een kleinere koelinrichting

SiC-componenten hebben een lage aan-weerstand en weinig schakelverlies en zijn bestand tegen hoge temperaturen, waardoor het verlies in de EV-omvormer kan worden verminderd. Met minder verlies kan met dezelfde accu enkele procenten tot een tiende verder worden gereden en kunnen koelinrichting en omvormer kleiner en lichter worden. Sinds de grootschalige toepassing in de Tesla Model 3 van 2018 neemt de verspreiding toe en het effect is bijzonder groot bij hoogspanningsaccu’s van het 800 V-systeem. Een probleem zijn de hogere kosten dan van Si-IGBT’s.

  1. Wat is het belangrijkste voordeel van een SiC-Schottkydiode als vrijloopdiode in bijvoorbeeld omvormers?
  2. Wat is een bekend probleem van SiC-MOSFET’s?
  3. Wat is de bekende oorzaak waarom de eigenschappen van een SiC-MOSFET kunnen verslechteren als er continu stroom door de bodydiode vloeit?

Oefenvragen over Vermogenshalfgeleiders

Belangrijke termen uitgelegd

SiC (siliciumcarbide)
Halfgeleider met brede bandgap van circa 3,3 eV. Door het hoge doorslagveld wordt het gebruikt in vermogenscomponenten met hoge spanningsweerstand en lage verliezen.
4H-SiC
Een van de polytypen van SiC, dat vooral voor vermogenscomponenten wordt gebruikt. Heeft een grote bandgap van ongeveer 3,3 eV en een relatief hoge elektronenmobiliteit.
IGBT
Insulated-gate bipolaire transistor. Wordt aangestuurd via een MOS-gate en bereikt dankzij geleidingsmodulatie een lage aan-spanning, ook bij hoge doorslagspanning.
Aan-weerstand (on-resistance)
Weerstand van het stroompad wanneer een vermogenshalfgeleider aan staat. Hoe lager, hoe minder geleidingsverlies.
Staartstroom (tail current)
Stroom in een IGBT die bij het uitschakelen door opgeslagen minderheidsladingdragers niet direct nul wordt, maar als een staart nog even blijft doorlopen. Oorzaak van uitschakelverliezen.
Halfgeleider met brede bandgap (wide-bandgap)
Halfgeleider met een grotere bandgap dan silicium, zoals SiC en GaN. Heeft een hoog doorslagveld en is geschikt voor werking bij hoge spanning en hoge temperatuur.

Verwante vergelijkingen