Siliziumtechnologie im Wettbewerb mit SiC und GaN für die Leistungselektronik
SiC und GaN bieten gegenüber Silizium einige Vorteile, wie höhere Schaltgeschwindigkeiten und bessere thermische Eigenschaften. SiC ist besonders in Hochspannungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen und industriellen Motoren gefragt, während GaN in Niederspannungsanwendungen wie Schnellladegeräten für Verbraucherprodukte punktet.
| Eigenschaft | Silizium (Si) | Siliziumkarbid (SiC) | Galliumnitrid (GaN) |
|---|---|---|---|
| Bandlücke | 1,1 eV | 3,3 eV | 3,4 eV |
| Durchbruchfeldstärke | 3 kV/mm | 28 kV/mm | 33 kV/mm |
| Wärmeleitfähigkeit | 150 W/(m·K) | 490 W/(m·K) | 130 W/(m·K) |
| Sättigungsgeschwindigkeit | 1 x 10⁷ cm/s | 2 x 10⁷ cm/s | 2,5 x 10⁷ cm/s |
| Schaltgeschwindigkeit | Mittel | Hoch | Sehr hoch |
| Einsatzgebiete | Breite Anwendung in Elektronik, Mikrochips | Hochspannungs- und | |
| Hochtemperaturanwendungen, | |||
| Elektrofahrzeuge | Hochfrequenz- und | ||
| Hochleistungsanwendungen, | |||
| RF-Komponenten | |||
| Kosten | Niedrig | Hoch | Mittel bis hoch |
| Temperaturbeständigkeit | Niedrig bis mittel | Hoch | Hoch |
| Verlustleistung | Hoch | Niedrig | Sehr niedrig |
| Verfügbarkeit | Hoch | Mittel bis niedrig | Mittel |
Die Schaltgeschwindigkeit von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) ist signifikant höher bei Silizium (Si). SiC und GaN haben eine größere Bandlücke (Wide-Band-Gap – WBG) und höhere Durchbruchfeldstärken, was ihnen ermöglicht, bei höheren Spannungen und Temperaturen effizient zu arbeiten. Diese Eigenschaften reduzieren die parasitären Effekte, die bei hohen Schaltfrequenzen auftreten, und erlauben schnellere Schaltzeiten mit geringeren Schaltverlusten. Zudem besitzen SiC und GaN eine höhere Elektronenmobilität, die es den Elektronen ermöglichen, schneller durch das Material zu wandern, was zu einer schnelleren Reaktionszeit und insgesamt höheren Schaltgeschwindigkeit führt.