Grundlagen & Materialsystem

Silizium dominiert die Leistungselektronik seit Jahrzehnten, stößt aber an physikalische Grenzen: Bei hohen Sperrspannungen (Hochvolt-Transistoren) benötigt ein Si-Bauelement eine dicke, schwach dotierte Driftzone, um das elektrische Feld sicher aufzunehmen – das kostet Durchlasswiderstand und damit Verluste. Der Zusammenhang folgt direkt aus der Poisson-Gleichung: Je niedriger die kritische Durchbruchfeldstärke eines Materials, desto dicker muss die Driftzone bei gegebener Sperrspannung ausgelegt werden, und der Durchlasswiderstand wächst dabei überproportional – ungefähr mit der zweiten bis dritten Potenz der Sperrspannung. Bei Silizium wird dieser Effekt schon oberhalb einiger hundert Volt spürbar, bei einigen Kilovolt dominiert der Driftzonenwiderstand den gesamten Bauelementewiderstand fast vollständig.

Verbindungshalbleiter wie Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) besitzen eine deutlich höhere Durchbruchfeldstärke als Silizium – eine direkte Folge ihrer größeren Bandlücke, die stärker gebundene Elektronen und damit eine höhere Stoßionisationsschwelle bedingt. Das erlaubt dünnere, höher dotierte Driftzonen bei gleicher Sperrspannung – und dadurch spürbar geringere Durchlassverluste bei gleichzeitig kleinerer Chipfläche. In der Praxis bedeutet das: Ein SiC- oder GaN-Bauelement kann bei identischer Sperrspannung und identischem Durchlasswiderstand auf einem Bruchteil der Chipfläche eines Si-Bauelements realisiert werden, oder umgekehrt bei gleicher Fläche einen deutlich geringeren Durchlasswiderstand liefern. Dieser Materialvorteil zieht sich als roter Faden durch die gesamte Leistungselektronik-Entwicklung der letzten zwanzig Jahre und ist der eigentliche Treiber hinter dem kommerziellen Durchbruch beider Materialsysteme.

Im direkten Vergleich zeigen sich deutliche Unterschiede: Silizium hat eine Bandlücke von 1,12 eV, 4H-Siliziumcarbid liegt bei 3,26 eV und Galliumnitrid bei 3,4 eV – beide Verbindungshalbleiter sind damit klar breitbandiger und gehören zur Klasse der sogenannten Wide-Bandgap-Halbleiter (WBG). Diese größere Bandlücke wirkt sich nicht nur auf die Durchbruchfeldstärke aus, sondern erlaubt auch höhere Sperrschichttemperaturen: Während Silizium-Bauelemente typischerweise bei Sperrschichttemperaturen um 150–175 °C betrieben werden, sind bei SiC-Bauelementen 200 °C und mehr praxisüblich, da die intrinsische Ladungsträgerdichte bei gegebener Temperatur um viele Größenordnungen niedriger bleibt.

Die kritische Durchbruchfeldstärke steigt von rund 0,3 MV/cm bei Silizium auf etwa 2,8 MV/cm bei SiC und 3,3 MV/cm bei GaN. SiC punktet zusätzlich mit hoher Wärmeleitfähigkeit (etwa 4,9 W/cmK gegenüber 1,5 W/cmK bei Silizium), was die Wärmeabfuhr bei hohen Leistungen erheblich erleichtert und kompaktere Kühlkonzepte erlaubt – ein Vorteil, der bei GaN aufgrund seiner geringeren Wärmeleitfähigkeit (ca. 1,3 W/cmK) und der üblichen Heteroepitaxie auf Fremdsubstraten so nicht zur Verfügung steht. GaN wiederum erreicht eine sehr hohe Elektronensättigungsgeschwindigkeit, was besonders hohe Schaltfrequenzen ermöglicht; kombiniert mit der hohen Beweglichkeit im 2DEG-Kanal (siehe GaN-Kapitel) ergeben sich Schaltfrequenzen im MHz-Bereich, die mit Si- oder SiC-Bauelementen praktisch nicht erreichbar sind. In der Summe ergibt sich damit eine klare Arbeitsteilung: SiC dort, wo hohe Sperrspannung, hohe Leistung und gute Wärmeableitung gefragt sind, GaN dort, wo Schaltfrequenz und Baugröße im Vordergrund stehen.