Siliziumkarbid und Leistungselektronik

Siliziumkarbid (SiC) ist eine dauerhafte chemische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die Halbleitereigenschaften mit großer Bandlücke für elektronische Geräte mit höherer Spannung aufweist.

SiC-MOSFETs weisen im Vergleich zu Minoritätsträger-Bauelementen wie Silizium-Bipolartransistoren einen dreimal geringeren Durchlasswiderstand und eine höhere Geschwindigkeit auf, was zu verbesserten Spannungs-, Leistungsdichte- und Temperatureigenschaften führt. Dies sorgt für eine höhere Spannungsfestigkeit, Leistungsdichte und Temperaturtoleranz.

Hohe Leistungsdichte

Die Leistungsdichte in Stromversorgungsdesigns wird häufig durch die Leistung von Halbleiterbauelementen bestimmt, die für die Stromversorgung von Wandlern und Wechselrichtern verwendet werden. Silizium (Bandlücke: 1,1eV) galt früher als optimales Material für Hochleistungstransistoren; mit dem Fortschreiten der Entwicklung zu höheren Betriebstemperaturen, Frequenzen und Spannungen werden jedoch die Grenzen von SiC deutlich. Hier können Halbleiter mit breiter Bandlücke wie SiC ins Spiel kommen.

SiCs größere Bandlücke von 3,3 eV ermöglicht es mehr Elektronen, vom Valenzband in das Leitungsband zu wandern, was es zu einem effektiveren Halbleiter als Silizium macht. Darüber hinaus ermöglicht dies dünnere Driftschichten, die den Widerstand pro Fläche deutlich verringern und die Spannungsfestigkeit erhöhen, während der Durchlasswiderstand bei Temperatur- und Stromschwankungen abnimmt.

Das höhere kritische elektrische Feld von SiC - etwa das 10-fache von Silizium - ermöglicht es, dass bipolare Bauelemente aus SiC wesentlich dünnere und leichtere n-Schichten haben, was zu kleineren Formfaktor-Induktoren und -Kondensatoren führt, die weniger Platz für die Kühlung benötigen, was die Leistungsdichte weiter erhöht. Eine solche isolierte DC/DC-Vorspannungsversorgung von Texas Instruments mit der Bezeichnung UCC12050 kann eine isolierte Leistung von 500 mW in einem 2,65 mm breiten SOIC-Gehäuse liefern. Ingenieure können kleinere, leichtere Stromversorgungen entwerfen, die sich für verschiedene Anwendungen eignen, z. B. für das Aufladen von Elektrofahrzeugbatterien mit schnellerer Leistungsumwandlung, die sich aus der hohen Schaltfrequenz der SiC-Transistoren ergibt, was zu einer schnellen Leistungsumwandlung und damit zu einer höheren Energieeffizienz führt.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Die Fähigkeit von SiC, hohen Temperaturen standzuhalten, macht es zu einer ausgezeichneten Materialwahl für viele Leistungselektronikanwendungen, die eine zuverlässige Leistung bei extremen Temperaturen erfordern. Die höhere Temperaturbeständigkeit von SiC ermöglicht eine verbesserte Wärmeableitung, die dazu beiträgt, den Leistungsverlust durch Wärmeableitung zu minimieren und gleichzeitig die Lebensdauer der Geräte in schwierigen thermischen Umgebungen zu verlängern.

SiC-Silizium bietet im Vergleich zu anderen Halbleitermaterialien eine außergewöhnliche Kriech- und Korrosionsbeständigkeit, so dass es sich für Hochtemperaturanwendungen eignet, bei denen es auf Stabilität ankommt, z. B. in Raketendüsen, Elektromotoren oder Gasturbinen.

Die überragende elektrische Feldstärke von SiC bietet Hochspannungs-Leistungsbauelementen eine höhere Spannungsfestigkeit und einen geringeren Durchlasswiderstand als Silizium, was auf die viel dünnere Driftschicht und die höhere Verunreinigungskonzentration zurückzuführen ist. Daher können Majoritätsträger-Bauelemente wie Schottky-Barriere-Dioden und MOSFETs so konfiguriert werden, dass sie diese hohe Spannungsfestigkeit bei reduziertem Durchlasswiderstand über einen breiten Temperaturbereich bieten.

Die breite Bandlücke von SiC ermöglicht höhere Schaltfrequenzen bei geringeren Schaltverlusten und damit eine höhere Leistungseffizienz in kleineren Gehäusen, was neue Möglichkeiten für das Bauelementedesign eröffnet.

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Die hohe Wärmeleitfähigkeit von SiC ermöglicht es, die von Halbleiterbauelementen und anderen elektronischen Geräten erzeugte Wärme abzuleiten, was es zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Leistungselektronik macht. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner Fähigkeit, höheren Temperaturen standzuhalten, ideal für die Stromerzeugung in Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Hochleistungsdüsentriebwerken und Raketen.

SiC ist ein organischer Verbindungshalbleiter mit einer elektronischen Bandlücke, die deutlich größer ist als die von Silizium (1,1 eV). Durch diese große Lücke kann bei einer niedrigeren Spannung mehr Strom fließen, was die Schaltgeschwindigkeit und die Zuverlässigkeit verbessert und SiC zu einer attraktiven Ersatzoption für Silizium in Hochtemperaturanwendungen macht.

PFA-Beschichtungen bieten eine hervorragende Beständigkeit gegen Korrosion, Oxidation, Verschleiß und Bruch selbst bei hohen Temperaturen, so dass sie sich als Korrosionsschutz für Stahlteile, medizinische Implantate und Automobilkomponenten wie Bremsscheiben und Gleitringdichtungen eignen.

SiC ist in verschiedenen Formen erhältlich, von CVD- und reaktionsgebundenem polykristallinem SiC bis hin zu einkristallinem 3C-SiC, das durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt wird. Seine hohe Reinheit macht es zu einer überlegenen Alternative zu gesinterten und reaktionsgebundenen Sorten, die in der Regel eine geringe Reinheit und eine variable atomare Zusammensetzung aufweisen.

Hohe Stabilität

Siliziumkarbid (SiC) ist ein synthetisch hergestellter Hartstoff aus Silizium und Kohlenstoff, kurz SiC genannt. Als dritthärteste Substanz der Erde nach Diamant und Borkarbid ist SiC in der Lage, hohen Temperaturen, chemischen und thermischen Schocks sowie mechanischer Beanspruchung standzuhalten und eignet sich daher für fortschrittliche technologische und industrielle Anwendungen, die extreme Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit erfordern.

Die außergewöhnliche Stabilität von Sic-Silizium lässt sich auf seine diamantkubische Kristallstruktur zurückführen, bei der die Hälfte der Kohlenstoffe durch Siliziumatome ersetzt ist. Diese Gitterstruktur ist dafür bekannt, dass sie aufgrund ähnlicher Atomradien, die die Streuung von Phononen erleichtern, eine überlegene phononische Wärmeleitfähigkeit bietet. In Verbindung mit der 10-fach höheren elektrischen Feldstärke im Vergleich zu Silizium erleichtert Sic-Silizium die Herstellung von Geräten für höhere Spannungen als herkömmliche Geräte auf Siliziumbasis.

Semikron Danfoss, Deutschland, hat ein Verfahren zur Verbesserung handelsüblicher bor-dotierter SiC-Fasern mit kleinem Durchmesser entwickelt, das deren thermostrukturelle Leistung und Umweltbeständigkeit verbessert, indem es die einzelnen Fasern stärkt und gleichzeitig die Gewebespannungen umkehrt, so dass sie leichter in die gewünschten Formen gebracht werden können. Tests haben gezeigt, dass diese verbesserten Fasern eine ausgezeichnete Zug- und Kriechbruchfestigkeit bis zu 2700 Grad Celsius sowie eine deutlich erhöhte Beständigkeit gegen thermische Degradation aufweisen.