Im Laufe der Zeit hat die Industrie viel über die Eigenschaften von Siliziumkristallen gelernt, die zur Erreichung des Mooreschen Gesetzes verwendet werden. Beispielsweise wurde das Warp-Engineering vor etwa 20 Jahren entscheidend für die Transistorentwicklung. Diese Technologie nutzt Materialschichten, um die Siliziumkristallgitter lokal zu verzerren und so die Beweglichkeit elektrischer Ladungsträger in diesen Kanälen zu verbessern. Diese Art des Kristall-Engineerings hat dazu beigetragen, Nicht-Silizium- und Verbundhalbleiter wieder in der Industrie zu etablieren, die trotz ihrer überlegenen elektrischen Eigenschaften zuvor als zu schwierig zu handhaben, zu teuer oder zu spröde galten.
Fertigungsprozesse und -materialien sind grundlegend für den Fortschritt
Galliumnitrid (GaN) wurde beispielsweise vor einem halben Jahrhundert als Halbleitermaterial erforscht, doch die Herstellung von Bauelementen mit diesem Material erforderte teure und spröde Saphirsubstrate. Heute lassen sich GaN-Schichten zuverlässig und fehlerfrei auf der Oberfläche eines Siliziumwafers abscheiden. Dies hat den Weg für ein wachsendes Angebot an Hochleistungsbauelementen geebnet. Ebenso haben Verbesserungen in den Fertigungsprozessen zur Entwicklung von Siliziumverbindungen wie Siliziumkarbid (SiC) geführt, das nahezu so hart wie Diamant und für die Massenproduktion geeignet ist.
GaN- und SiC-Halbleiter zeichnen sich durch Bandlücken zwischen Valenz- und Leitungsband aus, die dreimal größer sind als die von herkömmlichen Siliziumbauelementen. Dies, zusammen mit anderen Eigenschaften dieser Halbleiter, macht sie ideal für Hochleistungsschaltungen. Die Materialien weisen kritische Feldstärken auf, die zehnmal höher sind als die typischer Siliziumbauelemente. Daraus resultiert eine höhere Durchbruchspannung, die zur Reduzierung der Größe und Kosten von Transistoren in Netzteilen und anderen Schaltungen genutzt werden kann, die hohe Spannungs- und Stromstärken verarbeiten müssen.
Aufgrund der höheren kritischen Feldstärke und Durchbruchspannung kann die Driftzone eines vertikalen Transistors oder einer Diode bei Verwendung von Siliziumkarbid (SiC) deutlich schmaler sein als bei Siliziumbauelementen. Dies führt nicht nur zu einem geringeren Durchlasswiderstand und damit zu deutlich niedrigeren Verlusten beim Stromfluss durch das Bauelement, sondern auch zu kürzeren Erholungszeiten, da beispielsweise in einer in Sperrrichtung betriebenen Diode weniger Minoritätsträger abgebaut werden müssen. Ein Bauelement wie die WNSC021200 von WeEn Semiconductors weist eine Erholungsladung von nur 10 nC auf, deutlich weniger als Silizium-PiN-Dioden.
Größe und Mobilität als Katalysatoren für zukünftige Anwendungen
Die geringere Größe des Transistors ermöglicht wiederum die Reduzierung parasitärer Elemente wie Gate- und Ausgangskapazität. Die Summe dieser Effekte führt zu höheren Schaltfrequenzen in Schaltnetzteilen und ähnlichen Schaltungen. GaN-Bauelemente beispielsweise können Schaltfrequenzen deutlich über 1 MHz verarbeiten. Bei diesen Frequenzen können auch kleinere passive Bauelemente eingesetzt werden, die üblicherweise zur Glättung von Schaltvorgängen verwendet werden. Das Ergebnis ist ein kleineres und effizienteres Netzteil.
Einige Hersteller, wie beispielsweise Power Integrations, nutzen die Eigenschaften von GaN zur Entwicklung integrierter Schaltkreise für Netzteile. Ein Beispiel hierfür ist der INN3276C-H204, ein Offline-Flyback-Schalt-IC mit integriertem primärseitigen Schalter, ideal für Anwendungen mit konstanter Ladeleistung von Akkus. Dieses Bauteil unterstützt eine Ausgangsleistung von bis zu 35 W; andere Produkte der PowiGaN-Familie des Unternehmens können sogar bis zu 100 W Ausgangsleistung ohne Kühlkörper liefern.
Ein weiteres Merkmal von GaN ist seine überragende Ladungsträgermobilität: Sie ist fast 40 % höher als die von Silizium. Diese hohe Mobilität resultiert aus der Bildung eines zweidimensionalen Elektronengases an den Grenzflächen zwischen den Komponentenmaterialien – eine intrinsische Eigenschaft von HEMT (High Electron Mobility Transistors), die auch bei anderen Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) auftritt. Aufgrund dieser hohen Mobilität findet GaN Anwendung in Bereichen wie Basisstationen und wissenschaftlichen Instrumenten. Nexperia-Bauelemente sind speziell für diesen Marktbereich konzipiert.
Über HF-Anwendungen in der Mobilkommunikation hinaus besteht eine zunehmende Wechselwirkung zwischen HF-Design und Stromversorgung im schnell wachsenden Bereich des drahtlosen Ladens. Der AirFuel-Standard beispielsweise erfordert eine Sendefrequenz von 6,78 MHz. Bauelemente wie die CoolGaN-Leistungstransistoren von Infineon Technologies eignen sich hervorragend für die in diesen Anwendungen eingesetzten Verstärkertopologien der Klassen D und E.
Die Fähigkeit von SiC, höhere Schaltfrequenzen als Silizium zu verarbeiten, hat zu seinem Einsatz in Hochspannungs-Medizingeräten wie Röntgengeräten und anderen Anwendungen mit hoher Leistungsaufnahme geführt. Die nahezu instantane Schaltfähigkeit von SiC-MOSFETs, wie beispielsweise der SCT3-Serie von ROHM, wird in der xR-Serie durch die modifizierte Vier-Pin-Konfiguration des TO-247-Gehäuses ergänzt. Dieses Design wird in Bauteilen wie dem SCT3060ARC14, einem 39-A-, 650-V-MOSFET, verwendet, um die Schaltverluste im Vergleich zu herkömmlichen Drei-Pin-Gehäusekonfigurationen um bis zu 35 % zu reduzieren. Eine separate Source-Drain-Verbindung vom Gate-Treiber trägt zur Minimierung der parasitären Induktivität bei, was zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit der Schaltung genutzt werden kann.
Ein weiterer entscheidender Vorteil dieser Halbleiter mit großer Bandlücke liegt in ihrer Fähigkeit, bei hohen Temperaturen zu arbeiten, was erhebliche Vorteile hinsichtlich Größe und Kosten bietet. So benötigen Transistoren beispielsweise keine großen Kühlkörper zur Wärmeableitung, im Gegensatz zu Silizium-MOSFETs, die diese aufgrund höherer Leitfähigkeitswiderstände und erhöhter Temperaturen benötigen, um Verluste zu vermeiden. SiC übertrifft GaN, da es unter Bedingungen arbeitet, die für Siliziumbauelemente ungeeignet sind. Dies hat SiC zu einer immer beliebteren Wahl für Schaltungen in der Automobil-, Militär- und Bohrtechnik gemacht, da es in der Nähe des Motorraums, der Bremsen oder der Bohrköpfe montiert werden kann und seine Funktionsfähigkeit auch bei Temperaturen von bis zu 200 °C beibehält. Um diesen höheren Temperaturen standzuhalten, werden diese Bauelemente häufig als freiliegende Chips zur Integration in spezielle Hochtemperaturgehäuse geliefert. Viele der in weit verbreiteten Gehäusen wie DPAK oder TO-247, die unter anderem von Genesic Semiconductor, Littelfuse und OnSemi hergestellt werden, arbeiten jedoch bei Sperrschichttemperaturen von bis zu 175 °C.
Intelligente Steuerung und wie man GaN-, SiC- und verwandteTechnologien
Die hohen Schaltfrequenzen von Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand ermöglichen es Entwicklern, neuartige Steuerungstechniken wie die Array-Konvertierung zu nutzen. Diese verwendet Raumvektor-Modulationsberechnungen zur Ansteuerung von Hochleistungs-Wechselstrommotoren in einer Architektur, die sich als Alternative zu den höheren Schaltgeschwindigkeiten konventioneller Topologien in einer größeren Vielfalt von Stromversorgungssystemen implementieren lässt. Die Leistungsfähigkeit der Gate-Treiber ist in all diesen schnell schaltenden Schaltungsarchitekturen gleichermaßen wichtig. Neben der Entwicklung der CoolGaN-Leistungshalbleiter und der CoolSiC-Transistoren und -Dioden hat Infineon in Technologien wie EiceDriver investiert. EiceDriver ist ein Gate-Treiber-Design mit hoher Gleichtaktunterdrückung, das den Einsatz nicht-isolierter Topologien in einem breiteren Anwendungsspektrum ermöglicht und somit die Materialkosten senkt.
Der Bedarf an intelligenter Steuerung treibt die Entwicklung hochintegrierter Leistungshalbleiter voran, die Mikrocontroller und Leistungstransistoren kombinieren und dabei die Fortschritte in der SiP-basierten (SiP-)Fertigung nutzen. STMicroelectronics hat kürzlich die Initiative STi2GaN vorgestellt, die GaN-Leistungsstufen und Steuerlogik mittels BCD zusammen mit Controllern und Isolationsschaltungen in einen einzigen SiP integriert. Die enge Kopplung dieser Schaltungselemente ermöglicht es, Netzteile in den Megahertz-Bereich zu verlegen und die Gesamtgröße der Leiterplatte zu reduzieren. Dies gewinnt zunehmend an Bedeutung für Elektrofahrzeuge, bei denen viele Komponenten parallel geschaltet werden müssen, sowie für Ladegeräte für Verbraucherbatterien.
Mit zunehmendem Verständnis von Breitbandlückenmaterialien wird deren Integration in Siliziumschaltungen vielfältige Anwendungen ermöglichen. Es ist leicht nachvollziehbar, warum viele herkömmliche Siliziumbauelemente in zahlreichen Bereichen ersetzt werden. Ein erfahrener technischer Distributor wie Farnell kann Ingenieure beraten, wo GaN, SiC und verwandte Technologien am vorteilhaftesten eingesetzt werden können und wie Gerätehersteller diese Technologien in neue Anwendungen integrieren.
Von Cliff Ortmeyer, Global Head of Technical Marketing bei Farnell
