Galliumnitrid-Transistor (GaN)
Einleitung
Um Halbleiterbauelemente wie Diode oder Transistoren zu erzeugen, wird typischerweise das Material Silizium verwendet. Allerdings gibt es auch andere Materialen mit welchen Halbleiterbauelemente hergestellt werden können. Ein noch ziemlich neues Material ist dabei Galliumnitrid (GaN). Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Wide-Bandgab-Material (WBG)
⇨ Wide-Bandgab-Material (WBG)
Elektronenbewegung
1500cm²/Vs
Wärmeleitfähigkeit
1,3W/cmK
Allgemeine Eigenschaften
Betrachtet man den Aufbau eines GaN-Transistors besteht dieser weitgehend aus undotierten Kristallstrukturen. Diese weisen sehr geringe Verunreinigungen auf wodurch sich die hohe Beweglichkeit der Elektronen ergibt.
Vorteil: Großer Bandabstand
Der großen Bandabstand welches das Material Galliumnitrid (GaN) aufweist, bringt einige Vorteile mit sich.
Einerseits kann eine größere kritische Feldstärke verkraftet werden bevor das Bauteil zerstört wird. Das bedeutet die Durchbruchspannung bei einem GaN-Transistor ist größer als beispielsweise bei Si-Transistor.
Zudem sind durch den größeren Bandabstand die intrinsischen- und Leckströme niedriger dadurch können Bauelemente welche auf Wide-Bandgap-Materialien basieren auch bei höheren Temperaturen zuverlässig arbeiten.
⇨ Bandabstand
Vorteil: Ladungen
Ein weiterer Vorteil des GaN-Transistors ist die geringe Gate-Ladung.
Diese ist auf den Aufbau des GaN-Transistors zurückzuführen.
Durch die geringere Gate-Ladung sind die Ansteuerverluste des Transistors geringer.
Grund dafür ist, wie bei jedem Transistor, dass bei jedem Schaltzyklus die Energie auf und abgebaut werden muss. Durch die geringere Gate-Ladung muss entsprechend weniger abgebaut werden und hierdurch erfolgt der Vorgang schneller wodurch auch weniger Verluste anfallen. Die geringen Ansteuerverluste haben den Vorteil das die Schaltfrequenz erhöht werden kann, ohne dabei die Verlustleistung signifikant zu erhöhen.
Vorteil: Keine Body-Diode
Bedingt durch den Aufbau des GaN-Transistors, besitzt dieser keine Body-Diode. Bei einem Silizium MOSFET ergibt sich durch die unterschiedlich dotierten Bereiche eine Dioden Struktur.
⇨ Body Diode
Beim GaN-Transistor handelt es sich um einen Transistor welcher aus undotierten Halbleitern besteht. Hierdurch fällt entsprechend die Dioden-Struktur weg.
Dies hat den Vorteil das der Reverse-Recovery-Effekt hierdurch wegfällt.
⇨ Reverse-Recovery-Effekt
Zusammenfassung GaN vs Si
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Vergleich: GaN vs SiC
Bei SiC handelt es sich ebenfalls um ein Wide-Bandgab-Material. Im Vergleich zu Silizium sind diese Materialien, wie bereits erklärt, im Hinblick auf Hochfrequenzanwendungen und Durchbruchverhalten überlegen.
Bei GaN ist die Elektronenmobilität höher als bei SiC, weshalb Bauelemente auf GaN-Basis bevorzugt werden für Hochfrequenzanwendungen.
Bei hohen Leistungsdichten werden Bauelemente auf SiC-Basis bevorzugt. Grund dafür ist die bessere Wärmeleitfähigkeit bei SiC-Bauelemente.
⇨ SiC
Zukunft
Bei Galliumnitrid handelt es sich um ein zukunftweisendes Material welches derzeit in den Anfängen des praktischen Einsatzes befindet.
Dennoch gibt es bereits weitere Materialien welche in den Startlöchern stehen um die Zukunft der Leistungselektronik weiter voranzutreiben.
Dabei handelt es sich um Galliumoxid und synthetischem Diamant.
Diamanten zeichnen sich besonders durch ihre herausragende Ladungsträgerbeweglichkeit und der hohen thermischen Leitfähigkeit aus.