SiC-Leistungsbauelemente

Der SiC-Leistungs-MOSFET übernimmt die planare DMOS-Grundstruktur des Silizium-Pendants (siehe Grundlagen-Kapitel „Der MOSFET"), nutzt aber die viel höhere Durchbruchfeldstärke von SiC, um die Driftzone bei gleicher Sperrspannung deutlich dünner und höher dotiert auszulegen. Konkret bedeutet das: Während ein 1200-V-Si-Bauelement eine Driftzone von mehreren zehn Mikrometern mit vergleichsweise niedriger Dotierung benötigt, kommt ein äquivalentes SiC-Bauelement mit einer nur wenige Mikrometer dicken, deutlich höher dotierten Driftzone aus.

Das senkt den spezifischen Durchlasswiderstand R_on·A um mehr als eine Größenordnung gegenüber einem vergleichbaren Si-MOSFET – bei gleichzeitig höherer zulässiger Sperrspannung (600 V bis über 3,3 kV) und deutlich geringerer Chipfläche pro Ampere. In der Praxis limitiert allerdings nicht die Driftzone allein den Gesamtwiderstand: Der Kanalwiderstand an der SiC/SiO2-Grenzfläche (siehe letzter Absatz dieses Kapitels) sowie der JFET-Widerstand zwischen den p-Wannen tragen bei modernen planaren SiC-MOSFETs einen erheblichen, teils dominierenden Anteil zum Gesamtwiderstand bei – ein Umstand, der die Entwicklung alternativer Zellkonzepte wie des Trench-MOSFETs (siehe unten) maßgeblich vorangetrieben hat. Kommerzielle SiC-MOSFETs decken heute den Bereich von 650 V bis über 3,3 kV ab und haben in vielen Anwendungen den Si-IGBT als Standard-Schaltelement abgelöst.

Eine Si-pn-Diode braucht beim Abschalten Zeit, um die im Durchlass gespeicherte Minoritätsladung auszuräumen – die sogenannte Reverse-Recovery-Zeit, die Schaltverluste verursacht und mit steigender Frequenz stärker ins Gewicht fällt. Physikalisch liegt das daran, dass bei einem bipolaren pn-Übergang während der Durchlassphase Minoritätsladungsträger in die jeweils angrenzende Zone injiziert werden; diese müssen beim Sperren erst durch Rekombination oder Ausräumen entfernt werden, bevor die Diode tatsächlich sperrt – währenddessen fließt kurzzeitig ein nicht unerheblicher Rückstrom in Sperrrichtung.

Eine SiC-Schottky-Diode ist dagegen ein reines Majoritätsträgerbauelement: Es gibt praktisch keine gespeicherte Ladung und damit nahezu keinen Reverse-Recovery-Strom, da der Metall-Halbleiter-Übergang ohne Minoritätsträgerinjektion arbeitet. Möglich wird das erst durch SiC, weil die hohe Durchbruchfeldstärke auch bei Schottky-Kontakten hohe Sperrspannungen bei akzeptablem Durchlassverlust erlaubt – mit Silizium wären Schottky-Dioden nur bis wenige hundert Volt praktikabel, da die Driftzone bei höheren Spannungen so dick werden müsste, dass der Durchlasswiderstand inakzeptabel hoch würde. SiC-Schottky-Dioden werden heute standardmäßig im Bereich von 600 V bis 1700 V gefertigt und typischerweise als Freilaufdioden in Kombination mit SiC- oder sogar Si-MOSFETs eingesetzt, wo ihr nahezu verlustfreies Schaltverhalten die Gesamteffizienz des Systems spürbar verbessert.