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SiC半導体の特徴(what1)
SiC <Was sind SiC-Halbleiter?>
Physikalische Merkmale und Eigenschaften von SiC
Bei SiC (Siliziumkarbid) handelt es sich um einen Verbindungshalbleiter bestehend aus Silizium und Karbid.
Er bietet eine Reihe an Vorteilen gegenüber Silizium, unter anderem das 10-fache der elektrischen Durchbruchfeldstärke, das 3-fache der Bandlücke, und ermöglicht eine breitere Reihe der Steuerung des p- und n-Typs, welche für die Konstruktion des Geräts erforderlich ist.
Das Ergebnis ist eine bahnbrechende Leistung, die mit Silizium nicht möglich ist, wodurch er zum fähigsten Nachfolger für die Leistungsgeräte der nächsten Generation wird.
Es gibt ein breites Sortiment an Polytypen (Polymorphe) von SiC, die unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. 4H-SiC ist ideal für Leistungsgeräte.
| Eigenschaften | Si | 4H-SiC | GaAs | GaN |
|---|---|---|---|---|
| Kristallstruktur | Diamant | Hexagonal | Zinkblende | Hexagonal |
| Energielücke: EG(eV) | 1,12 | 3,26 | 1,43 | 3,5 |
| Elektronenbeweglichkeit: μn(cm2/VS) | 1400 | 900 | 8500 | 1250 |
| Löcherbeweglichkeit: μp(cm2/VS) | 500 | 100 | 400 | 200 |
| Durchbruchfeld: EB(V/cm)X106 | 0.3 | 3 | 0.4 | 3 |
| Wärmeleitfähigkeit(W/cm℃) | 1,5 | 4,9 | 0,5 | 1,3 |
| Sättigungsdriftgeschwindigkeit: vs(cm/s)X107 | 1 | 2,7 | 2 | 2,7 |
| Permittivitätszahl: εS | 11,8 | 9,7 | 12,8 | 9,5 |
| p. n Steuerung | ○ | ○ | ○ | △ |
| Thermisches Oxid | ○ | ○ | × | × |
Eigenschaften des Leistungsgeräts
SiC besitzt das 10-fache der elektrischen Durchbruchfeldstärke von Silizium, wodurch es möglich wird, Leistungsgeräte mit höherer Spannung (600 V bis Tausende V) zu konfigurieren, über eine dünnere Driftschicht und höhere Störstellenkonzentration.
Und da ein Großteil der Widerstandskomponente eines Hochspannungsgeräts sich im Driftschichtwiderstand befindet, ermöglicht es SiC, größere Stehspannung zu erreichen, mit einem extrem niedrigen ON-Widerstand pro Einheitsfläche.
Theoretisch kann der Driftschichtwiderstand pro Fläche im Vergleich zu Silizium um 300 x reduziert werden bei derselben Stehspannung.
Um die Zunahme beim ON-Widerstand bei höheren Stehspannungen mit Silizium zu minimieren, werden normalerweise Minoritätsträgergeräte (bipolar) verwendet, wie bspw. IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor, bipolare Isolierschicht-Transistoren). Dies steigert jedoch den Schaltverlust, was zu einer größeren Wärmeerzeugung und einem eingeschränkten Hochfrequenzbetrieb führen kann.
Im Gegensatz dazu ermöglicht es SiC, eine hohe Stehspannung zu erreichen, indem Majoritätsträgergeräte (Schottky-Diode, MOSFET) durch eine Hochgeschwindigkeits-Gerätekonstruktion verwendet werden, wodurch gleichzeitig eine hohe Stehspannung, ein geringer ON-Widerstand und ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb möglich gemacht werden.
Darüber hinaus sorgt eine 3 Mal so breite Bandlücke für den Betrieb des Geräts bei höheren Temperaturen, wodurch die Anwendbarkeit erheblich erweitert wird.
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