Siliziumkarbid - Teil 2 Eigenschaften und Strukturen von SiC-Komponenten

Eigenschaften und Strukturen von SiC-Komponenten
Eigenschaften und Strukturen von SiC-Komponenten

Während die allgemeinen Eigenschaften von Siliziumkarbid (SiC) im Mittelpunkt des ersten Teils standen, widmet sich der zweite Teil der Artikelserie in erster Linie den Eigenschaften und Vorteilen der einzelnen SiC-Bauelemente – von SiC-Schottky-Dioden über SiC-MOSFETs bis hin zu SiC-Power-Modulen, die mit beiden Arten der Bauelemente bestückt sind.

Die kommerzielle Nutzung und Attraktivität von Siliziumkarbid-Bausteinen war lange Zeit aufgrund des relativ schwierigen Herstellungs- und Verarbeitungsprozesses im Vergleich zu Silizium-Komponenten und der damit notwendigen Qualitätskontrolle begrenzt und sehr teuer. Mit der Entwicklung neuer Fertigungsprozesse konnten viele Probleme bei der SiC-Wafer-Fertigung beseitigt und der Weg zur Massenfertigung von SiC-Bauelementen geebnet werden. Im Folgenden werden die verschiedenen SiC-Komponenten – von der Schottky-Diode über MOSFETs bis hin zu Leistungsmodulen – näher beschrieben.

SiC-Schottky-Dioden

Im Vergleich zu FRDs (Fast Recovery Diodes) auf Siliziumbasis zeichnen sich SiC-Schottky-Dioden durch erheblich niedrigere Sperrverzögerungsströme und kürzere Sperrverzögerungszeiten aus, was die damit verbundenen Verluste und Störaussendungen drastisch reduziert. Anders als bei Silizium-FRDs sind diese Eigenschaften außerdem über den gesamten Strom- und Betriebstemperaturbereich weitgehend gleich. Das Angebot an SiC-Schottky-Dioden von Rohm umfasst derzeit Versionen für 650 V und 1200 V sowie Stromtragfähigkeiten von 5 A bis 40 A – also weit oberhalb der mit Silizium-Schottky-Dioden möglichen Werte. Ausführungen für höhere Ströme und Spannungen bis 1700 V befinden sich in der Entwicklung. In Durchlassrichtung weisen SiC-Schottky-Dioden ähnliche Schwellenspannungen wie Si-FRDs auf (knapp unter 1 V). Die Schwellenspannung wird durch die Höhe der Schottky-Barriere bestimmt: Eine niedrige Barriere ergibt eine geringe Schwellenspannung und einen hohen Leckstrom in Sperrrichtung. In seinen Schottky-Dioden der zweiten Generation hat Rohm den Prozess weiter verbessert und die Schwellenspannung um etwa 0,15 V gesenkt, während der Leckstrom und das Sperrverzögerungsverhalten unverändert blieben. Anders als bei Si-FRDs nimmt der Uf-Wert mit der Temperatur zu. SiC-Schottky-Dioden weisen einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, so dass es hier bei einer Parallelschaltung zu keinem thermischen Durchgehen kommt.

Bei schnellen pn-Dioden auf Siliziumbasis – darunter auch die erwähnten FRDs – kommt es zu einer kurzzeitigen hohen Stromspitze, wenn die an der Sperrschicht liegende Spannung ihr Vorzeichen wechselt. Beträchtliche Schaltverluste sind die Folge. Ursache für dieses Phänomen sind Minoritätsträger, die sich in der Driftregion sammeln, während die Diode bei angelegter Vorwärtsspannung leitend ist. Je höher der Strom in Durchlassrichtung oder die Temperatur ist, umso mehr steigen die Sperrverzögerungszeit und der Sperrverzögerungsstrom an. Die Funktion von SiC-Schottky-Dioden basiert dagegen auf Majoritätsträgern. Bei diesen unipolaren Bauelementen sind keine Minoritätsträger an der elektrischen Leitung beteiligt und es werden folglich auch keine Minoritätsträger gespeichert. Bei SiC-Schottky-Dioden entsteht der Sperrverzögerungsstrom ausschließlich durch das Entladen der Sperrschichtkapazität; die Schaltverluste sind deutlich niedriger als bei Si-FRDs. Die Stromspitze ist nahezu unabhängig von der Temperatur (Bild 1) und vom Durchlassstrom (Bild 2), so dass unter allen Bedingungen ein stabiles, schnelles Sperrverzögerungsverhalten erzielt wird. Hieraus folgt ferner, dass bei SiC-Schottky-Dioden durch den Sperrverzögerungsstrom erheblich weniger Störungen entstehen.