Neue Transistortechnik für Schaltnetzteile

»High electron mobility«-Transistoren, kurz HEMTs, konnten bisher nur in der HF-Technik eingesetzt werden. Fujitsu hat diese Transistoren nun so weit entwickelt, dass schon 2011 erste Schaltnetzteile damit auf den Markt kommen könnten.

HEM-Transistoren (High electron mobility) kamen bisher nur in der Hochfrequenztechnik wie etwa als Verstärker in Basisstationen zum Einsatz. Dabei handelt es sich um eine spezielle Form eines JFETs (Junction FET). Die kapazitive Schicht des Transistors besteht aus zwei Gallium-Nitrid-Lagen (GaN) sowie einer Aluminuim-Nitrid-Lage in der Mitte (AlN).

Grundsätzlich bietet ein HEMT einige Vorteile im Vergleich zu Silizium-Transistoren: Der Verlust im eingeschalteten Zustand liegt bei ungefähr 20 Prozent des Verlustes von Silizium-Transistoren, der Schaltverlust sogar bei unter einem Prozent.

Ein Grund ist die höhere Stromdichte von HEMTs, im Vergleich zu Silizium-Transistoren. Sie ergibt sich aus dem geringeren Widerstand, den die Bauweise des Transistors mit sich bringt. Durch die niedrige Gate-Kapazität - verglichen mit einem MOSFET - sind die Schaltverluste sehr niedrig. Aufgrund der deutlich höheren Elektronenbeweglichkeit ist es darüber hinaus möglich, den HEMT bei sehr hohen Frequenzen einzusetzen.

Warum gibt es bei all diesen Vorteilen noch keine HEMTs, die in Schaltnetzteilen zum Einsatz kommen? Ein Grund ist, dass die klassischen HEMTs nicht selbstsperrend sind. Sie benötigen daher eine negative Spannung an der Gate-Elektrode, damit kein Strom mehr fließen kann. Für Schaltnetzteile wäre das nur schwer realisierbar.

Bereits 2008 hatte Fujitsu einen selbstsperrenden HEMT entwickelt. Das wurde durch die  Aluminium-Nitrid-Lage (AlN) zwischen den beiden Gallium-Nitrid-Lagen (GaN) des Transistors möglich. Durch diese Schicht war es möglich, den Stromfluss im ausgeschalteten Zustand auch ohne Anlegen einer negativen Gate-Spannung zu unterdrücken.

Ursprünglich war diese Struktur für Verstärker in Basisstationen vorgesehen. Für den Einsatz in Schaltnetzteilen war jedoch die Einschaltspannung an der Gate-Elektrode von 0,5 V zu niedrig. Bei Netzteilen liegt diese Einschaltspannung zwischen 2 V und 4 V. Also mussten die Entwickler nun den Wert dieser Spannung erhöhen.

Das gelang ihnen durch eine weitere Änderung der Transistorstruktur. Dazu haben sie einen Teil der Kapazitäts-Schicht sowie de AlGaN-Kanals unterhalb der Gate-Elektrode entfernt. Um eine Beschädigung des Trägersubstrates zu vermeiden, wurde noch eine dünne Schicht AlGaN übrig gelassen. Damit sank die Konzentration der Elektronen unter der Gate-Elektrode fast auf Null. Die Einschaltspannung, die jetzt notwendig war, um einen Stromfluss herzustellen, stieg um das sechsfache von 0,5 V auf 3 V und lag damit im Bereich von in Schaltnetzteilen üblichen Werten. Der Sättigungsstrom stieg von rund 450 mA/mm auf 829 mA/mm. Die Durchbruchspannung der Transistoren erreichte 350 V und soll nach Angaben von Fujitsu noch weiter steigen.

Durch die vollständige Isolierung der Gate-Elektrode konnten die Forscher die Leckströme außerdem so stark eingrenzen, dass sie im nA-Bereich liegen.

Erste Netzteile mit den neuen Transistoren sollen 2011 auf den Markt kommen. Fujitsu erwartet, dass die Verluste der neuen Netzteile um bis zu einem Drittel niedriger sind, als solche, bei den Silizium-Transistoren zum Einsatz kommen.

Die Transistoren wurden auf der Device Research Conference an der Pennsylvania State University im Juni erstmals vorgestellt.