Was Sie über Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-FETs wissen müssen

Dugan Karnazes
|  Created: April 5, 2020  |  Updated: January 18, 2021
Was Sie über Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-FETs wissen müssen

Einer der besten Gründe, in der Elektronikindustrie zu arbeiten, ist die rasante Entwicklung. Es gibt verschiedene neue Technologien, die immer mehr Verbreitung finden, insbesondere Siliziumkarbid- (SiC) und Galliumnitrid- (GaN) Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (auch als "FETs" bekannt). Wenn Sie ein Experte auf dem Gebiet der Leistungselektronik sind, sind Ihnen diese Transistoren wahrscheinlich bekannt. Wenn Sie das nicht sind, finden Sie in diesem Artikel alles, was Sie wissen müssen. 

Silizium-FETs kommen in Hochleistungsanwendungen an ihre Grenzen. Sowohl Siliziumkarbid als auch Galliumnitrid sind in HF- und Stromversorgungsanwendungen Si-basierten Bauelementen überlegen.

Siliziumkarbid

Vorteile:

Siliziumkarbid, das erstmals 2011 von Cree auf den Markt gebracht wurde, hat eine 10x höhere Durchbruchfeldstärke als Silizium. Das bedeutet, dass weniger Material benötigt wird, um hohen Spannungen zu widerstehen, so dass der ON-Widerstand deutlich niedriger sein kann. Dieser ON-Widerstand ist auch über weite Temperaturbereiche stabiler als Siliziumkarbid. Im Vergleich zu Silizium ändert sich der ON-Widerstand über einen Temperaturbereich von 25C bis 150C um 1/10 des Wertes. Auch die Wärmeleitfähigkeit ist viel höher als bei Silizium oder Galliumnitrid.

Nachteile:

Einer der Nachteile der Siliziumkarbid-Technologie ist, dass die Anforderungen an den Gateantrieb höher sind. Um den vollen Nutzen auszuschöpfen und den niedrigsten ON-Widerstand zu erreichen, muss der Gate-Treiber eine sehr niedrige Impedanz haben und von -2 bis -5 Volt bis zu +20 schwingen. Außerdem kann aufgrund der hohen Durchbruchfestigkeit die Durchlassspannung der Körperdiode hochgehen, manchmal um die 4V, also Vorsicht.

Verwendung: 

Siliziumkarbid fühlt sich in Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen zuhause. Mit dieser Technologie können Transistoren hergestellt werden, die Spannungen von bis zu 10kV schalten können! Für Inverter, Motor-Controller und andere Hochspannungs-Hochleistungsanwendungen sind Siliziumkarbid-FETs daher eine gute Wahl. Denken Sie nur daran, den Treiber so zu entwerfen, dass er zwischen -2 bis +20 Volt schwingt, und achten Sie auf den Körperdiodenstrom.

Galliumnitrid

Vorteile:

Galliumnitrid-FETs haben gegenüber Silizium und sogar Siliziumkarbid eine Reihe entscheidender Vorteile. Aufgrund ihrer niedrigen Gate-Kapazität eignen sie sich sehr gut für Hochfrequenzanwendungen. Bei Leistungsdesigns mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte kann eine höhere Betriebsfrequenz die Größe von Induktoren und anderen unterstützenden Passiven verringern und damit die Gesamtsystemkosten senken. Galliumnitrid-FETs haben eine viel niedrigere Gate-Treiberspannung als Siliziumkarbid (Typ 4,5V). Galliumnitrid-Bauelemente haben eine höhere Elektronenbeweglichkeit als Si und Siliziumkarbid-Bauelemente und können bei Temperaturen von bis zu 450° C betrieben werden (selbst wenn der Rest Ihrer Platine brennt). Galliumnitrid-Bauelemente können auch leicht parallelgeschaltet werden, um die Strombelastbarkeit zu erhöhen.

Nachteile:

Galliumnitrid bewährt sich gut in Hochstrom- und Hochspannungsanwendungen, aber Teile sind in diesem Bereich noch nicht mit Siliziumkarbid vergleichbar. Zudem sind Galliumnitrid-FETs auch schwieriger herzustellen.

Verwendung:

Galliumnitrid-FETs sind der klare Gewinner bei Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen. HF-Verstärker und Stromversorgungen mit sehr hoher Dichte sind gute Anwendungen für diese Bauelemente.

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Dugan Karnazes is the owner of Velocity Research, and an experienced electrical engineer with a background in electronics and engineering physics. Since 2013, Dugan has been focusing his attention on the PCB design process and working on research and development teams with companies in West Michigan to build better products incorporating advanced technologies and new techniques.

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