Siliziumtechnologie im Wettbewerb mit SiC und GaN

Wide-Bandgap-Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) sind kaum noch wegzudenken, dennoch bleibt Silizium ein wesentlicher Bestandteil der Halbleiter-Industrie. Doch warum ist das so?

Ständig kommen Neuigkeiten auf, in denen immer wieder thematisiert wird, welche revolutionären Eigenschaften Wide-Bandgap-Halbleiter haben. Doch warum dominiert Silizium in so vielen Segmenten immer noch den Markt?

Die Bedeutung von Silizium

Silizium ist seit Jahrzehnten das dominierende Material der Halbleiterindustrie. Die hohe Verfügbarkeit, die kosteneffiziente Produktion und die umfassend erforschten Eigenschaften lassen Silizium immer noch ganz vorne mitspielen, auch wenn die aufkommende Konkurrenz durch SiC und GaN immer größer wird.

Eine der erfolgversprechendsten Entwicklungen der Halbleiter-Materialien ist der Übergang zu 300-mm-Wafern. Die größeren Wafer ermöglichen eine noch günstigere Produktion durch eine verbesserte Ausbeute. Hersteller wie Infineon und Bosch haben bereits in die Erweiterung ihrer Fertigungskapazitäten für 300-mm-Wafer investiert.

Darüber hinaus werden fortschrittliche Packaging-Technologien entwickelt, um die Leistungsdichte weiter zu erhöhen und um thermische Probleme zu minimieren. Modernes Packaging wie die XHP 2 von Infineon bieten hier zum Beispiel eine robuste und effiziente Lösung für anspruchsvolle Anwendungsbereiche wie die Antriebstechnik von Schienenfahrzeugen.

Der Wettbewerb mit SiC und GaN

SiC und GaN bieten gegenüber Silizium viele Vorteile. Höhere Schaltgeschwindigkeiten und bessere thermische Eigenschaften gehören zu den wichtigsten. SiC ist wegen der hohen Spannungsfestigkeit besonders in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen und industriellen Motoren gefragt, während GaN in Niederspannungsanwendungen wie Schnellladegeräten für Verbraucherprodukte punktet.

Die Schaltgeschwindigkeit von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) ist signifikant höher bei Silizium (Si), weswegen sie auch deutlich effizienter sind. SiC und GaN besitzen eine größere Bandlücke und höhere Durchbruchfeldstärke. Außerdem reduzieren ihre Materialeigenschaften parasitäre Effekte, welche bei hohen Schaltfrequenzen auftreten. Die kürzeren Schaltzeiten kommen von der höheren Elektronenmobilität, welche es den Elektronen ermöglichen, schneller durch das Material zu wandern.

Leistungselektronik Grundlagen

Wide Bandgap

Die Halbleiter in Bezug auf EMV

Dass Wide-Bandgap-Halbleiter die besseren thermischen Eigenschaften besitzen wurde bereits bewiesen, doch wie sieht es in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) aus?

Silizium hat tendenziell deutlich größere parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten, was bei höheren Frequenzen und Leistungspegeln zu EMV-Problemen führt. SiC und GaN bieten dank ihrer hohen Schaltgeschwindigkeiten und Effizienz Vorteile in der Leistungselektronik, führen jedoch auch zu stärkeren elektromagnetischen Emissionen aufgrund steilerer Spannungsflanken. Um also EMV-Probleme bei SiC und GaN zu minimieren, sind fortschrittliche Techniken wie Snubber-Schaltungen, optimierte Gate-Treiber-Schaltungen und sorgfältige PCB-Layouts erforderlich.

Leistungselektronik Grundlagen

Elektromagnetische Verträglichkeit – EMV

Zukunftsaussichten

Die Leistungselektronik steht vor einer spannenden Zukunft, in der Silizium, SiC und GaN wahrscheinlich noch lange nebeneinander existieren und weiterentwickelt werden. Es werden ebenfalls neue Materialien aufkommen. Während SiC und GaN in Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen weiterhin an Bedeutung gewinnen wird, wird Silizium die zentrale Rolle in kostenkritischen und etablierten Märkten spielen.

Investitionen in 300-mm-Wafer und fortschrittliches Packaging werden Silizium noch lange wettbewerbsfähig machen und sicherstellen, dass es auch in den kommenden Jahren weit verbreitet bleibt.