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DESIGN ELEKTRONIK 02 2022 6 www designelektronik de Leistungshalbleiter Siliziumkarbid 1 Um Leistungshalbleiter zu bewerten eignet sich ein Grenzwertdiagramm bei dem der flächenspezifische Durchlasswiderstand nominaler Durchlasswiderstand × Chipgröße gegen die Nennspannung aufgetragen ist Dies zeigt das Bild für heute verfügbare SiC-MOSFETs verschiedener Hersteller aus den Spannungsklassen 650 V 1200 Vund 1700 Vund einem breiten Spektrum von Nennströmen und Durchlasswiderständen Als Referenz dienen dieselben Parameter für eine Reihe von Silizium-MOSFETs sowie für zwei Silizium-IGBTs wobei dabei der differenzielle Einschaltwiderstand verwendet und die Diodenspannung ignoriert wird Außerdem sind in langen diagonalen Linien die Materialgrenzen dargestellt also der niedrigste Widerstand der bei Silizium Bild Ana to ly s to ck a do be c om Silizium-Leistungshalbleiter sind weitestgehend ausgereift was die Grenzen des Materials betrifft – ganz anders als solche aus Siliziumkarbid SiC Es folgt ein Überblick über die SiC-Technologie und ein Vergleich der heutigen SiC-MOSFETs und Silizium-IGBTs Vorab sei verraten Siliziumkarbid hat noch viel Luft nach oben Dr Peter Gammon Professor für Leistungshalbleiter an der University of Warwick und Gründer von PGC Consultancy oder Siliziumkarbid für eine bestimmte Nennspannung möglich ist Diese als unipolare Materialgrenze bezeichneten Werte ergeben sich aus der Tatsache dass ein breiter schwach dotierter Driftbereich erforderlich ist um die hohe Spannung im ausgeschalteten Zustand aufzunehmen während im eingeschalteten Zustand diese niedrige Dotierung dazu beiträgt dass der Kanalwiderstand verhältnismäßig hoch ist Dieser unvermeidliche Kompromiss bedeutet dass mit jeder Verdoppelung der Durchbruchs - spannung eines MOSFETs der Durchlasswiderstand um etwa das 4 5-Fache ansteigt Wichtig bei diesen Diagrammen ist dass ein Bauelement trotzdem hervorragend sein kann auch wenn es weit von der idealen unipolaren Grenze entfernt ist Allerdings beansprucht es mehr Waferfläche als ein Bauelement das sich an oder nahe dieser Grenze befindet und wird daher wahrscheinlich mehr kosten Aus der Sicht des Herstellers bedeutet dies dass er die Zahl der Bauelemente mit einer bestimmten Kombination aus Sperrspannung und Strom pro Wafer maximieren und damit die Ausbeute maximieren kann wenn das produzierte Bauelement nahe an der Unipolar-Grenze liegt Obwohl dieses Diagramm wenig darüber aussagt wie schnell sich die Bauteile schalten lassen wie hoch ihre thermische Belastbarkeit ist oder wie zuverlässig sie sind zeigt es doch wie nahe eine Bauteiltechnologie dem Optimum in Bezug auf Fertigung und Ertrag kommt Noch viel Luft nach oben