Dieser Artikel stellt hauptsächlich die Anwendungsgebiete und die Entwicklungsgeschichte von Siliziumkarbiddioden vor und erläutert detailliert die Klassifizierung und den Aufbau von Siliziumkarbid-MOSFETs. Siliziumkarbid (SiC), allgemein bekannt als Schmirgel, ist die einzige Komponente von Silizium und Kohlenstoff. Siliziumkarbid kommt in der Natur als Mineral Moissanit vor, ist aber sehr selten. Pulverförmiges Siliziumkarbid wird jedoch seit 1893 in großen Mengen als Schleifmittel hergestellt. Siliziumkarbid wird seit über hundert Jahren als Schleifmittel eingesetzt, vorwiegend in Schleifscheiben und vielen anderen Anwendungen.



Siliziumkarbid (SiC) besitzt einen hohen Widerstand, bis die Schwellenspannung (VT) erreicht ist. Sobald die Schwellenspannung erreicht ist, sinkt der Widerstand deutlich, bis die angelegte Spannung unter VT fällt. Die ersten elektrischen Anwendungen von SiC, die diese Eigenschaft nutzten, waren Blitzableiter in Stromverteilungssystemen (siehe Abbildung).


Da Siliziumkarbid (SiC) einen Varistor besitzt, kann der SiC-Stiel zwischen Hochspannungsleitungen und Erde geschaltet werden. Bei einem Blitzeinschlag in eine Stromleitung steigt die Versorgungsspannung und überschreitet die Schwellenspannung (VT) des SiC-Überspannungsableiters. Dadurch wird der Blitzstrom in die Erde abgeleitet (anstatt in die Stromleitung) und verursacht somit keinen Schaden. Allerdings leiten diese SiC-Überspannungsableiter bei der normalen Betriebsspannung der Stromleitung zu viel Strom. Daher müssen Funkenstrecken in Reihe geschaltet werden. Steigt die Spannung in der Stromleitung durch einen Blitzeinschlag an, ionisiert die Funkenstrecke und leitet Strom, wodurch der SiC-Überspannungsableiter effektiv zwischen Stromleitung und Erde geschaltet wird. Später stellten die zuständigen Fachkräfte fest, dass die im Überspannungsableiter verwendete Funkenstrecke unzuverlässig war. Aufgrund von Materialfehlern, Staub- oder Salzablagerungen kann es vorkommen, dass die Funkenstrecke den Lichtbogen nicht zündet oder ihn nach einem Blitzeinschlag nicht löscht. Siliziumkarbid-Überspannungsableiter wurden ursprünglich entwickelt, um die Abhängigkeit von Funkenstrecken zu eliminieren. Aufgrund ihrer Zuverlässigkeit wurden Siliziumkarbid-Überspannungsableiter mit Funkenstrecke jedoch größtenteils durch funkenstreckenlose Varistoren mit Zinkoxidkern ersetzt.

SiC in der Leistungselektronik

Es gibt viele Arten von Halbleiterbauelementen aus Siliziumkarbid, darunter Schottky-Dioden (auch Schottky-Barrieredioden oder SBDs genannt), J-Typ-Feldeffekttransistoren (JFETs) und Feldeffekttransistoren für Hochleistungsschaltanwendungen. Einige Unternehmen versuchen, Siliziumkarbid-Schottky-Dioden-Chips ohne Substrat für Leistungselektronikmodule einzusetzen. Siliziumsubstrate werden bereits häufig in IGBT-Leistungsmodulen und Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur verwendet.

Vor- und Nachteile von SiC

Einer der Gründe für die Attraktivität von Leistungselektronikbauteilen auf Siliziumkarbidbasis liegt darin, dass ihre Dotierungsdichte bei gleicher Sperrspannung fast hundertmal höher ist als die von Siliziumbauteilen. Dadurch lässt sich eine hohe Sperrspannung bei gleichzeitig niedrigem Durchlasswiderstand erzielen. Ein niedriger Durchlasswiderstand ist für Hochleistungsanwendungen wichtig, da er die Wärmeentwicklung reduziert, die thermische Belastung des Systems verringert und somit den Gesamtwirkungsgrad erhöht.



Die Herstellung von elektronischen Bauteilen auf Siliziumkarbidbasis ist jedoch mit einigen Schwierigkeiten verbunden, wobei die Beseitigung von Defekten die größte Herausforderung darstellt. Diese Defekte führen zu unzureichenden Sperrschichteigenschaften der aus SiC-Kristallen gefertigten Bauteile. Neben Problemen mit der Kristallqualität behindern auch Grenzflächenprobleme zwischen Siliziumdioxid und SiC die Entwicklung von SiC-basierten Leistungs-MOSFETs und IGB-Kristallen (Insulated Gate Bipolar). Glücklicherweise lassen sich die Defekte, die diese Grenzflächenprobleme verursachen, durch den Einsatz von Nitriertechnologie in der Produktion deutlich reduzieren.

SiC-Schleifscheibe

Siliziumkarbid wird nach wie vor in vielen industriellen Anwendungen als Schleifmittel eingesetzt. In der Elektronikindustrie dient es hauptsächlich als Polierfilm zum Glätten beider Enden von Glasfasern vor dem Spleißen. Dadurch wird eine hohe Oberflächenglätte der Glasfaserverbinder erreicht, was einen effizienten Betrieb ermöglicht. Siliziumkarbid wird seit über hundert Jahren hergestellt, findet aber erst seit Kurzem Anwendung in der Leistungselektronik. Aufgrund seiner besonderen physikalischen und elektrischen Eigenschaften eignet es sich hervorragend für Anwendungen mit hohem Druck und hohen Temperaturen.



Siliziumkarbiddioden werden heute in verschiedenen Bereichen eingesetzt.



1. Solarwechselrichter.



Siliziumkarbiddioden sind das Basismaterial für Solardioden und der herkömmlichen Bipolardiodentechnologie in vielerlei Hinsicht überlegen. Sie schalten sehr schnell ein und aus und weisen im Vergleich zu Bipolardioden keinen Sperrstrom auf. Durch die Eliminierung des Sperrstroms reduzieren Siliziumkarbiddioden den Energieverbrauch um 70 % und gewährleisten eine hohe Energieeffizienz über einen weiten Temperaturbereich. Dies erhöht die Flexibilität der Entwickler bei der Optimierung der Systembetriebsfrequenz.



2. Ladegerät für Elektrofahrzeuge.



Nach erfolgreicher Prüfung im Automobilbereich wurde die Durchbruchspannung der Siliziumkarbiddioden auf 650 Volt erhöht. Dies erfüllt die Anforderungen von Entwicklern und Automobilherstellern an einen reduzierten Spannungskompensationsfaktor und gewährleistet so eine ausreichende Sicherheitsmarge zwischen Nennspannung und kurzzeitiger Spitzenspannung der wiederaufladbaren Halbleiterkomponenten im Fahrzeug. Die Doppelröhrendiode optimiert die Raumausnutzung und reduziert das Gewicht des Autoladegeräts.

3. Vorteile von Schaltnetzteilen.

Siliziumkarbid-Schalter zeichnen sich durch sehr schnelle Schaltzeiten, hohe Betriebsfrequenzen, Null-Dehnung und Temperaturunabhängigkeit aus. Dank unserer induktivitätsarmen RP-Gehäuse eignen sich diese Dioden für eine Vielzahl von schnell schaltenden Diodenschaltungen und Hochfrequenzwandlern.



4. Industrielle Vorteile.



Siliziumkarbiddioden: Sie werden hauptsächlich in Hochfrequenz-Leistungswandlern in Hochleistungsmotoren und Industrieanlagen eingesetzt und bieten die Vorteile hoher Effizienz, hoher Leistung und hoher Frequenz.

SiC-Geräte

Erstens. Klassifizierung von SiC-Bauelementen.



Siliziumkarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor.



Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren stehen im Fokus der Forschung im Bereich der Siliziumkarbid-Leistungselektronik. Siliziummaterialien stoßen heutzutage an ihre theoretische Leistungsgrenze, und Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter gelten aufgrund ihrer hohen Spannungsfestigkeit, geringen Verluste und ihres hohen Wirkungsgrades als „ideale Bauelemente“. Im Vergleich zu früheren Siliziumbauelementen wird jedoch das optimale Verhältnis von Leistung und Kosten sowie der Bedarf an Spitzentechnologie entscheidend für die Weiterentwicklung von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern sein.



Zweitens, die Struktur von Siliziumkarbid-MOS.



Die N+-Source-Region und der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor werden mittels Ionenimplantation N+-dotiert und bei 1700 °C getempert. Ein weiterer wichtiger Prozess ist die Herstellung des Siliziumkarbid-Metalloxid-Halbleiter-Gate-Oxids. Da Siliziumkarbid sowohl Silizium- als auch Kohlenstoffatome enthält, ist ein sehr spezielles Verfahren zum Aufwachsen des Gate-Dielektrikums erforderlich. Die Vorteile der Nutstruktur sind folgende:



Die Grabenstruktur von Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren kann die Eigenschaften von Siliziumkarbid voll ausnutzen.



Drittens, die Vorteile von Siliziumkarbid-MOS.



Silizium-IGBTs arbeiten im Allgemeinen nur bei Frequenzen unter 20 kHz. Aufgrund von Materialbeschränkungen lassen sich Siliziumbauelemente für hohe Spannungen und Frequenzen nicht realisieren. Siliziumkarbid-MOSFETs eignen sich nicht nur für einen breiten Spannungsbereich von 600 V bis 10 kV, sondern bieten auch die hervorragenden Schalteigenschaften unipolarer Bauelemente. Im Vergleich zu Silizium-IGBTs weisen Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren geringere Schaltverluste und höhere Betriebsfrequenzen auf, sofern im Schaltkreis kein Reststrom auftritt.



Die Verluste eines 20-kHz-Siliziumkarbid-MOSFET-Moduls können halb so hoch sein wie die eines 3-kHz-Silizium-IGBT-Moduls, und ein 50-A-Siliziumkarbid-Modul kann ein 150-A-Silizium-Modul ersetzen. Dies verdeutlicht die enormen Vorteile von Siliziumkarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren hinsichtlich Betriebsfrequenz und Wirkungsgrad.



Die parasitäre Sperrverzögerungszeit trr und die Sperrverzögerungsladung Qrr der Body-Diode von Siliziumkarbid-MOSFETs sind sehr gering. Wie in der Abbildung dargestellt, beträgt die Sperrladung der parasitären Diode eines Siliziumkarbid-MOSFETs nur 5 % der Sperrladung eines Silizium-MOSFETs mit derselben Spannungsspezifikation. Für Brückenschaltungen (insbesondere wenn der LLC-Wandler oberhalb der Resonanzfrequenz arbeitet) ist dieser Wert entscheidend, um Verluste und Rauschen durch Totzeit und Sperrverzögerung der Body-Diode zu reduzieren und die Schaltfrequenz zu verbessern.



Viertens, die Anwendung von Siliziumkarbid-MOS-Röhren!



Siliziumkarbid-MOSFET-Module bieten große Vorteile in Anwendungen mit mittlerer und hoher Leistung, beispielsweise in der Photovoltaik, Windkraft, Elektrofahrzeugen und im Schienenverkehr. Die Vorteile von Siliziumkarbid-Bauelementen hinsichtlich hoher Spannung, hoher Frequenz und hoher Effizienz können die Leistungsgrenzen bestehender Elektrofahrzeugkonstruktionen überwinden und stehen daher im Fokus der Forschung und Entwicklung im Bereich der Elektromobilität im In- und Ausland. So verwenden beispielsweise die von Denso und Toyota gemeinsam entwickelten Leistungssteuergeräte (PCUs) in Hybrid- und Elektrofahrzeugen (HEVs und EVs) Siliziumkarbid-MOSFET-Module, wodurch das Volumenverhältnis auf 1/5 reduziert wird. Das von Mitsubishi entwickelte EV-Motorantriebssystem integriert das Leistungsantriebsmodul mithilfe von SiCMOSFET-Modulen in den Motor und erreicht damit die Ziele der Integration und Miniaturisierung. Es wird erwartet, dass Siliziumkarbid-MOSFET-Module in den kommenden Jahren im In- und Ausland breite Anwendung in Elektrofahrzeugen finden werden.


Wuxi Guojing Micro Semiconductor Technology Co., Ltd. ist ein innovatives Hightech-Unternehmen, das sich der Forschung, Entwicklung und Industrialisierung von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern (SiC), Galliumnitrid-optoelektronischen Bauelementen (GaN) und konventionellen integrierten Schaltungen widmet. Das Unternehmen ist auf Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren spezialisiert und entwickelt, produziert und vertreibt Siliziumkarbid-Schottky-Dioden, GaN-Optokopplerrelais, Ein-Chip-ICs und weitere Chips. Darüber hinaus bietet es Dienstleistungen für die Entwicklung von Gesamtlösungen an. Der Hauptsitz befindet sich in der Hightech-Entwicklungszone Wuxi in der Provinz Jiangsu. Weitere Forschungs- und Entwicklungszentren, Vertriebszentren und Niederlassungen befinden sich in Shenzhen und Hongkong.



Die Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter des Unternehmens umfassen Serien wie 650 V/2 A–100 A, 1200 V/2 A–90 A, 1700 V/5 A–80 A und weitere. Die Produkte befinden sich in Serienproduktion und sind qualitativ und leistungsmäßig mit internationalen Marken vergleichbar. Das Unternehmen hat erfolgreich Siliziumkarbid-Schottky-Dioden und Siliziumkarbid-MOSFETs für volle Stromstärke und Spannung auf den Markt gebracht. Diese haben Zuverlässigkeitstests nach Industrie- und Automobilstandards bestanden und erreichen international führendes Leistungsniveau. Sie werden in Solarwechselrichtern, Elektrofahrzeugen und Ladesäulen, Smart Grids, Hochfrequenzschweißen, Schienenverkehr, Spezialstromversorgungen für industrielle Steuerungen, der Verteidigungs- und Rüstungsindustrie und weiteren Bereichen eingesetzt. Dank ihrer hohen Schaltgeschwindigkeit und des niedrigen Einschaltwiderstands weisen sie auch unter hohen Temperaturen hervorragende elektrische Eigenschaften auf. Dies reduziert Schaltverluste erheblich, ermöglicht kleinere, leichtere und effizientere Komponenten und verbessert die Systemzuverlässigkeit. Die maximale Reichweite von Elektrofahrzeugen kann um 10 % reduziert werden, das Gewicht des gesamten Fahrzeugs kann um etwa 5 % reduziert werden, und ein sicherer und stabiler Betrieb kann in der Hochtemperaturumgebung der Ladesäule, für die es konzipiert wurde, erreicht werden.



Die meisten Ingenieure im Kernteam der Forschungs- und Entwicklungsabteilung des Unternehmens verfügen über einen Master-Abschluss oder höher, und zahlreiche promovierte Wissenschaftler sind für die Projektentwicklung verantwortlich. Das Unternehmen hat ein standardisiertes System für wissenschaftliche und technologische Innovation sowie für das Management geistigen Eigentums etabliert. Es verfügt über umfangreiches Know-how in den Bereichen Schaltungsdesign, Halbleiterbauelement- und Prozessdesign, Zuverlässigkeitsdesign, Gerätemodellierung usw. und besitzt zahlreiche internationale und nationale Patente für eigenständige Erfindungen.

„Die wichtigste Waffe des Landes – von der Entwicklung über die Selbstverbesserung und Selbstständigkeit bis hin zum Erreichen eines jahrhundertealten Erfolgs“ – dies ist das gemeinsame Ziel von Guojing Micro Semiconductor. Wir bieten unseren Mitarbeitern hervorragende Entwicklungsmöglichkeiten und unseren Kunden qualitativ hochwertige Produkte und Dienstleistungen. Wir freuen uns auf eine erfolgreiche Zusammenarbeit mit Ihnen.

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