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Hohe Stehspannung (Sperrspannung) der SiC-SBDs

Siliziumkarbid (SiC) ist ein Halbleiter mit einer breiten Bandlücke von 3,26 eV. Im Vergleich dazu beträgt die Bandlücke von Silizium (Si) nur 1,12 eV. SiC bietet durch die hohe atomare Bindung aufgrund einer niedrigen Gitterkonstante (d. h. kurze Abstände zwischen den Atomen) ein großes elektrisches Durchschlagsfeld und hohe Wärmeleitfähigkeit.

Vergleiche der physischen Eigenschaften von Si und SiC

Merkmale Einheit Si 4H-SiC
Bandlücke eV 1,12 3,26
Elektronenbeweglichkeit, μe cm2/Vs 1400 1000/1200
Löcherbeweglichkeit, μh 600 120
Elektrisches Durchschlagsfeld, Ec V/cm 3,0×105 2,8×106
Wärmeleitfähigkeit, λ W/cmK 1,5 4,9
Driftgeschwindigkeit gesättigter Elektronen, Vsat cm/s 1,0×107 2,2×107
Relative Dielektrizitätskonstante, ε   11,8 9,7/10,2

Bei einer SBD mit konventioneller Struktur in Sperrrichtung erstreckt sich die Raumladungszone, wie unten dargestellt, in den Halbleiter. Die Fläche des Dreiecks, die aus dem elektrischen Durchschlagsfeld und der Breite der Raumladungszone entsteht, stellt die Stehspannung einer SBD dar. Die Tiefe der Raumladungszone ist umgekehrt proportional zur Dotierstoffkonzentration. Das Erhöhen der Dotierstoffkonzentration trägt dazu bei, den Widerstand des Siliziums und damit die Durchlassspannung (VF) der SBD zu erhöhen – allerdings auf Kosten der Stehspannung (also der Dreiecksfläche). Das elektrische Durchschlagsfeld von SiC ist fast zehnmal so groß wie das von Silizium. Wie unten dargestellt, ist es daher möglich, die Stehspannung (also die Dreiecksfläche) einer SiC-SBD im Vergleich zu einer Si-SBD zu erhöhen, auch wenn sie stark dotiert ist.

Da die Sperrschicht durch die höhere Konzentration weniger gedehnt wird, kann darüber hinaus die Spandicke geringer gehalten werden  als bei Si. Die Dicke des Halbleiters (Si oder SiC) kann als Serienwiderstand in Durchlassrichtung betrachtet werden. So wird die Durchlassspannung durch die Reduzierung der Dichte verbessert.

Si-SBD Stehspannung/Raumladungszone

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