Siliziumcarbid (SiC)
Siliziumcarbid (SiC) besitzt eine größere Bandlücke als Silizium. Diese Materialeigenschaft erlaubt es vergleichsweise kleine Bauteile mit hohen Sperrspannungen zu realisieren. Diese haben entscheidende Vorteile gegenüber konventionellen Bauelementen aus Silizium (Si). Bauelemente aus SiC sind unipolar und haben einen niedrigen ON-Widerstand, wodurch geringere Verluste entstehen, was wiederum zu einer Effizienzsteigerung führt. Des weiteren ist der Betrieb mit höheren Schaltfrequenzen, aufgrund geringerer Speicherladung, sowie höheren Temperaturen möglich. Unipolare SiC-Schottky-Dioden sind bereits heute im Markt etabliert und ergänzen erfolgreich die vorhandenen unipolaren Si-Dioden. Demgegenüber besteht beim SiC MOSFET noch Optimierungsbedarf an der Oxidqualität. Dies zeigt sich durch eine geringe Elektronenmobilität im Kanal, einer hohen Dichte an Einfang-Zuständen (traps) sowie einer geringen Oxid-Lebensdauer.
Auch wenn sich SiC-basierte MOSFETs mittlerweile in modernen leistungselektronischen Systemen etabliert haben, ist ihre größte Schwachstelle nach wie vor die SiC/SiO2-Grenzfläche. Die inhärent hohe Dichte von Einfang-Zuständen (traps) an der Grenzfläche ist mit mehreren negativen Effekten verbunden. Diese traps befinden sich in unmittelbarer Nähe zu den mobilen Ladungen im Kanalgebiet und beeinflussen diese vor allem bei Schaltvorgängen.
Im Kurzschlussbetrieb zeigen Siliziumkarbid-MOSFETs einige Besonderheiten im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-MOSFETs. Dazu gehören der Einfluss der Gate-Source-Spannung, die im ausgeschalteten Zustand am Bauteil anliegt, auf den Kurzschlussstrom, das Auftreten von hohen Gate-Leckströmen und schließlich spezielle Fehlerarten wie der Gate-Durchbruch und das verzögerte thermische Weglaufen. Diese Phänomene sind auf die Instabilität der Schwellspannung (Vth) zurückzuführen, welche sich vor allem beim Betrieb mit sehr hohen Temperaturen bemerkbar macht.
- Charakterisierung mittels am Lehrstuhl entwickelter Messtechnik für Großsignal-Gepulst, Kleinsignal und Temperatur
- Untersuchung von Schwellspannungs-Instabilitäten, Robustheit (Kurzschlussfestigkeit) und Temperaturverhalten
- Analytische Modellbildung von Defektmechanismen
- Elektrothermische 3D-Finite Elemente Methode Simulation
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Publikationen
Unger, C.; Pfost, M.: Particularities of the Short-Circuit Operation and Failure Modes of SiC-MOSFETs, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, doi: 10.1109/JESTPE.2021.3053127
Unger, C.; Pfost, M.: Investigation of Gate and Drain Leakage Currents During the Short Circuit of SiC-MOSFETs, 2020 32nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Vienna, Austria, 2020, doi: 10.1109/ISPSD46842.2020.9170074
Unger, C.; Pfost, M.: Thermal Stability of SiC-MOSFETs at High Temperatures, IEEE Transactions on Electron Devices, 11. 2019, doi: 10.1109/TED.2019.2942011
Unger, C.; Pfost, M.: Determination of the Transient Threshold Voltage Hysteresis in SiC MOSFETs after Positive and Negative Gate Bias, 2019 31st International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Shanghai, China, 2019, doi: 10.1109/ISPSD.2019.8757661
Unger, C.; Pfost, M.: A Comparison of the Transient Behavior of the Drain Current Hysteresis in SiC-MOSFETs, 2018 IEEE International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles & International Transportation Electrification Conference (ESARS-ITEC), Nottingham, 2018, doi: 10.1109/ESARS-ITEC.2018.8607785
Unger, C.; Pfost, M.: Influence of the Off-State Gate-Source Voltage on the Transient Drain Current Response in SiC MOSFETs, ISPSD2018 - The 30th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs , Chicago, USA , 05.2018, doi: 10.1109/ISPSD.2018.8393599