Was ist ein Leistungs-MOSFET aus Siliziumkarbid (SiC)?
Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) sind MOSFETs, die anstelle des herkömmlichen Si-Substrats einen Verbindungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) verwenden.
MOSFETs werden als Halbleitersubstrat für MOSFETs, eine Art Feldeffekttransistor, zum Ein- und Ausschalten, für Verstärker und andere Anwendungen verwendet. Durch die Verwendung von SiC, einem Verbindungshalbleiter, als Halbleitersubstratmaterial ist es möglich, den Widerstand beim Anlegen einer Spannung im Vergleich zu herkömmlichen Si-MOSFETs zu verringern.
Dadurch lassen sich die Schaltverluste beim Ausschalten und die Leistungsverluste beim Leistungsbetrieb verringern. Die Leistung des Halbleiterchips kann verbessert und die während des Transistorbetriebs erforderliche Kühlkapazität verringert werden, was zu einer Miniaturisierung des Produkts selbst führt.
Anwendungen für Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC)
Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) werden in vielen Halbleiterprodukten eingesetzt, z. B. in Relais, Schaltnetzteilen und Bildsensoren in elektronischen Geräten der Leistungselektronik usw. Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) ermöglichen ein schnelleres Schalten aufgrund geringerer Verluste beim Ausschalten. SiC-MOSFETs werden in vielen Fällen auch in Kommunikationsgeräten eingesetzt.
Bei der Auswahl von Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) müssen die Betriebsbedingungen der Produktanwendung, d.h. absolute Höchstwerte, elektrische Eigenschaften, Gehäuse und Größe berücksichtigt werden.
Funktionsweise von Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC)
Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) ermöglichen MOSFET-Strukturen mit geringem Durchlasswiderstand und verlustarmem Betrieb beim Ausschalten bei gleichbleibend hoher Stehspannung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Transistor aus SiC-Substraten hergestellt wird, deren physikalische Eigenschaften eine etwa dreimal höhere Bandlückenenergie und eine etwa zehnmal höhere Durchbruchfeldstärke als die von Si-Substraten aufweisen, so dass die Schichtdicke der aktiven Schicht dünner gestaltet werden kann.
Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) haben eine Stapelstruktur aus p-Typ- und n-Typ-Halbleitern. In der Regel wird der n-Typ-Halbleiter auf den p-Typ-Halbleiter gestapelt, wobei Drain- und Source-Elektroden auf dem n-Typ-Halbleiter, eine Oxid-Isolierschicht und Gate-Elektroden zwischen den n-Typ-Halbleitern angebracht sind. Die Siliziumscheibe besteht aus SiC (Siliziumkarbid), einem Verbindungshalbleiter, als Epi-Substrat.
Bei MOSFETs bewirkt das Anlegen einer positiven Spannung an das Gate einen Stromfluss zwischen Source und Drain. In diesem Fall können Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) mit höheren Spannungen und Strömen zwischen Source und Drain arbeiten als MOSFETs, die nur Si verwenden. Die Konzentration von Verunreinigungen im Halbleiter kann erhöht werden, was zu geringeren Verlusten und einer Miniaturisierung führt.
Weitere Informationen zu Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC)
1. Unterschied zwischen Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) und IGBTs
Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) werden jedoch zunehmend in diesem Bereich eingesetzt. SiC-MOSFETs werden jetzt in diesem Bereich eingesetzt, weil SiC eine höhere Bandlückenenergie hat, die einen Betrieb bei höheren Temperaturen als bei IGBTs ermöglicht. Ein weiterer Grund ist, dass SiC-MOSFETs das Problem der hohen Schaltverluste in der nachfolgenden Bipolartransistorstufe im Falle von IGBTs überwinden können.
In der Vergangenheit hatten SiC-Epi-Substrate einen kleinen Durchmesser, was die Massenproduktion und die Kosten erschwerte. In letzter Zeit ist es jedoch möglich geworden, 8-Zoll-Substrate zu verwenden, und die Massenproduktion und die Preise verbessern sich.
Sie werden aktiv in relativ großen Leistungsanwendungen von mehr als 10 kW eingesetzt, z. B. in Elektrofahrzeugen (EV), Stromerzeugungssystemen und Haushaltsstromanwendungen.
2. Unterschiede zwischen SiC- und GaN-Bauelementen
Neben SiC ist GaN (Galliumnitrid) ein weiterer Halbleiter mit breiter Bandlücke, der Aufmerksamkeit erregt. GaN hat eine noch höhere Bandlückenenergie und eine größere dielektrische Durchschlagsfestigkeit als SiC und ist Gegenstand aktiver Forschung, insbesondere in Forschungsinstituten.
GaN wird im Allgemeinen mit einer aktiven GaN-Schicht auf einem Si-Substrat strukturiert, was es schwieriger macht, Hochleistungsanwendungen wie SiC-MOSFETs zu unterstützen. Auf dem Markt werden Anwendungen, die einer Leistung von 1 KW entsprechen, relativ wenig berücksichtigt. Beispiele hierfür sind Hochleistungs-Verstärkeranwendungen für 5G-Basisstationen und Batterieladeanwendungen über PC oder USB.
Leistungs-MOSFETs aus Siliziumkarbid (SiC) können wie GaN-Bauelemente bei hohen Temperaturen betrieben werden und benötigen keine Kühlvorrichtungen oder übermäßige Wärmeabfuhrstrukturen, was in den letzten Jahren zu ihrem weitverbreiteten Einsatz als kompakte PC-Netzteile geführt hat.