Einführung in die Wide-Bandgap-Halbleiter
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Halbleiter mit einer größeren Energielücke (Eg) als herkömmliche Halbleiter, typischerweise im Bereich über 2 eV, werden als Wide-Bandgap-Halbleiter (WbG’s) bezeichnet.
Im Vergleich dazu haben die häufig verwendeten Halbleiter Si und GaAs einen andgap von 1,1 eV bzw. 1,43 eV. Sie wurden entwickelt, weil die Halbleitertechnologie auf optische Manipulationen und Hochleistungs- und Hochfrequenzgeräte ausgedehnt werden musste.
Die meisten WBGS sind im Wesentlichen für ihre Struktur und einzigartigen Eigenschaften bekannt. Es wurden verschiedene Wachstumstechniken entwickelt, um Materialien mit hervorragenden Eigenschaften, geringer Defektkonzentration und guter Kontrolle ihrer Stöchiometrie zu synthetisieren.
WBGS haben elektronische Eigenschaften, die zwischen denen herkömmlicher Halbleiter und Isolatoren liegen, so dass sie bei viel höheren Spannungen, Frequenzen und Temperaturen arbeiten können als herkömmliche Halbleitermaterialien wie Silizium und Galliumarsenid.
WBGS werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter kurzwellige (grüne bis UV-) LEDs oder Laser, militärische Radargeräte und bestimmte Hochfrequenzanwendungen.
Ihre hohe Temperaturtoleranz macht sie für militärische Anwendungen sehr attraktiv, und sie werden auch in Leistungsumwandlungsanwendungen eingesetzt, wo sie unter normalen Betriebsbedingungen höhere Leistungen erbringen können.
Darüber hinaus können WBGS in der Festkörperbeleuchtung eingesetzt werden, wo sie das Potenzial haben, die Energiemenge zu verringern, die für eine Beleuchtung mit einer Lichtausbeute von weniger als 20 Lumen pro Watt erforderlich ist.
Die Lichtausbeute von LEDs mit WBGS liegt in der Größenordnung von 160 Lumen pro Watt.
Die Energielücke von WBGS kann mit Atomen der Gruppe III (Al, Ga, In) und V (N, P, As, Sb) mit hoher Bandlücke maßgeschneidert werden. Bildung von ternären und quaternären III-V-Legierungen und II-VI-Verbindungshalbleitern.
Die breitere Bandlücke und damit die geringere thermische Erzeugung von Ladungsträgern ermöglicht den Betrieb von WBGS bei wesentlich höheren Temperaturen, z. B. bis zu 300 °C oder sogar 900 °C.
Die hohe Durchbruchspannung und die hohe Driftgeschwindigkeit ermöglichen den Betrieb bei hohen Schaltfrequenzen (>20 kHz) und höheren Spannungen und Strömen im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitern.
Zu den gebräuchlichsten WBG-Materialien gehören Diamant und Siliziumkarbid (SiC) und sind die erste Wahl für Hochleistungsgeräte.
Diese Materialien werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Hochtemperatur- und Leistungsschaltanwendungen, Festkörperbeleuchtung und Hochfrequenz (HF)-Signalverarbeitung.
WBGS haben außerdem eine hohe Geschwindigkeit der freien Elektronen, wodurch sie mit höheren Schaltgeschwindigkeiten arbeiten können, was sie für Radioanwendungen wertvoll macht.
Ein einziger WBG-Baustein kann für ein komplettes Funksystem verwendet werden, so dass keine separaten Signal- und Hochfrequenzkomponenten mehr erforderlich sind, während er gleichzeitig mit höheren Frequenzen und Leistungen arbeitet.
WBGs werden in zahlreichen elektronischen und optoelektronischen Bereichen eingesetzt (Abb. 2).
Anwendungen von Wide-Bandgap-Halbleitern
Elektronische Anwendungen von Wide-Bandgap-Halbleitern
- Leistungselektronik:
- Wide-Bandgap-Bauelemente ermöglichen eine höhere Energieeffizienz, Leistungsdichte und höhere Betriebstemperaturen in Wandlern, Wechselrichtern und Motorantrieben.
- Computing:
- Hochgeschwindigkeits-Schaltfunktionen von Wide-Bandgap-Transistoren verbessern die Rechenleistung.
- Funkschaltungen:
- Hochfrequenzbetrieb und effiziente Leistungsaufnahme sind für drahtlose Kommunikationssysteme unerlässlich.
- Datenwandlerschaltungen:
- Verbesserte Geschwindigkeit und Präzision von Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlern.
- Flash-Speicher:
- Wide-Bandgap-Speicherbausteine zeichnen sich durch höhere Lese- und Schreibgeschwindigkeiten, längere Lebensdauer und geringeren Stromverbrauch aus.
- Sensorschnittstellen:
- Wide-Bandgap-Bausteine verbessern die Sensorempfindlichkeit und die Schnittstellenfunktionen.
Optoelektronische Anwendungen von Wide-Bandgap-Halbleitern
- Bildgebung:
- Wide-Bandgap-Geräte ermöglichen hochauflösende und hochempfindliche Bildgebungssysteme für wissenschaftliche, medizinische und industrielle Anwendungen.
- Optische Kommunikation:
- Schnelle und effiziente optische Geräte sind für die Datenübertragung in modernen Kommunikationsnetzen unerlässlich.
- Optische Sensorik:
- Photodetektoren mit breiter Bandlücke bieten genaue und zuverlässige Sensorlösungen für die Umwelt- und Industrieüberwachung.
- Datenwandlerschaltungen:
- Verbesserte Geschwindigkeit und Präzision von Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlern.
- Biomedizinische Bildgebung:
- Hochwertige Bildgebungsgeräte tragen zu Fortschritten in der medizinischen Diagnostik und Forschung bei.
- Photonische integrierte Schaltungen:
- Materialien mit breiter Bandlücke ermöglichen kompakte und effiziente photonische Schaltungen für Datenverarbeitung und Kommunikation.
- Display-Technologie:
- Energieeffiziente Displays mit verbesserter Farbgenauigkeit und Auflösung werden durch den Einsatz von Wide-Bandgap-Bauteilen erreicht.
Anpassung der Energielücke und Materialauswahl
Es gibt mehr materialbasierte WBG-Implementierungen als die traditionellen siliziumbasierten Gegenstücke.
Einige der Anwendungen zusätzlich zu den in der obigen Abbildung dargestellten sind: Solarenergielösungen, einphasige String-Wechselrichter, dreiphasige String-Wechselrichter, Nutzung der Windenergie, Hilfsstrom, Kernstrom, Hot-Swap, Server-Rack-Strom.
Einige andere Anwendungen sind Lösungen für die Elektrifizierung des Transportwesens, wie z. B. Hilfsstrom für Elektrofahrzeuge (EV), Traktionswechselrichter, EV-Ladegeräte, Startergeneratoren und Onboard-Ladegeräte.
Thermische Analysetechniken und -instrumente
Die thermischen Analyseverfahren sind entscheidend für das Verständnis des thermischen Verhaltens von WBG-Materialien und die Gewährleistung ihrer optimalen Leistung in elektronischen Geräten.
Sie ermöglichen es Forschern und Ingenieuren, WBG-Bauteile für verschiedene Anwendungen zu entwickeln und zu optimieren, z. B. in der Leistungselektronik, in HF- und Leistungsgeräten und in Batterien.
Zu den thermischen Analysetechniken, die für die WBGS-Analyse verwendet werden, gehören:
- Thermische Widerstandsmessung
- Wärmeleitfähigkeitsmessung
- Thermische Grenzschichtwiderstandsmessung
- Thermisches Management und Verpackung
Linseis Thermal Analysis bietet eine Reihe von Instrumenten für die WBGS-Analyse von Wärmeleitfähigkeit/Widerstand und die Analyse von thermoelektrischen Materialien.
Diese Geräte sind für die Materialanalyse in der Forschung und Qualitätskontrolle konzipiert und werden in verschiedenen Branchen wie der Chemie-, Automobil-, Polymer- und Elektronikindustrie eingesetzt.
- Wärmeleitfähigkeitsmessgeräte:
- Diese Geräte messen Wärmeübertragungseigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit oder auch die spezifische Wärmekapazität und geben Auskunft über die Fähigkeit eines WBGS, Wärme oder Temperatur zu speichern und zu übertragen. Linseis verfügt über eine breite Palette von Wärmeleitfähigkeitsmessgeräten für die Untersuchung von WBGS, wie z.B.:
- Laser Flash Analyzer (LFA) und die Transient Hot Bridge (THB) Methode, die die Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der spezifische Wärmekapazitätsbestimmung mit hoher Genauigkeit.
- Der Thin Film Laser Frequency Analyzer (TF-LFA) und Thin Film Analyzer (TFA) sind für die Messung der Temperaturleitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit von dünnen Schichten im µm- bis nm-Bereich konzipiert, die z.B. in der rechnergestützten Industrie häufig verwendet werden.
- Diese Geräte messen Wärmeübertragungseigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit oder auch die spezifische Wärmekapazität und geben Auskunft über die Fähigkeit eines WBGS, Wärme oder Temperatur zu speichern und zu übertragen. Linseis verfügt über eine breite Palette von Wärmeleitfähigkeitsmessgeräten für die Untersuchung von WBGS, wie z.B.:
- Thermoelektrische Analysatoren:
- Diese Geräte messen den elektrischen Widerstand, den Seebeck-Koeffizienten, den ZT-Wert und den Hall-Koeffizienten und geben damit Auskunft über die elektrische Leitfähigkeit, die Ladungsträgerkonzentration und die Beweglichkeit. Zu diesen Testgeräten gehören die Linseis LSR-1, LSR-3 (Linseis Seebeck- und Widerstandsmessgeräte) und HCS-Serie (Hall Characterization System).
Zusammenfassung
Zusammenfassend haben WBGS oft hohe Freielektronengeschwindigkeiten, die die Leistung elektronischer Geräte signifikant beeinflussen können. Durch die breitere Bandlücke können sie bei höheren Spannungen, Frequenzen und Temperaturen betrieben werden und gleichzeitig höhere Leistungsniveaus unter normalen Betriebsbedingungen bewältigen.
Sie sind äußerst wertvoll in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Militär, Funktechnik, Leistungsumwandlung und Festkörperbeleuchtung.
Quellen:
- Josh Perry, Cooling Wide-Bandgap Materials in Power Electronics June 15, 2018.
- Saravanan Yuvaraja, Vishal Khandelwal, Xiao Tang & Xiaohang Li, Wide bandgap semiconductor based
integrated circuits. Chip 2, 100072 (2023). - Maria Katsikini, Wide Band Gap Materials, X-Ray Absorption Spectroscopy of Semiconductors, 2015, Volume 190. ISBN: 978-3-662-44361-3.
- Yuan Qin, etal. Thermal management and packaging of wide and ultra-wide bandgap power devices: a review and perspective J. Phys. D: Appl. Phys. 56 (2023) 093001 (23pp).
- Anushree Ramanath- a technical article on Applications of Wide Bandgap Devices December 30, 2021.
