Vielversprechendes Halbleitermaterial Was ist Siliziumkarbid und wo sind die Vorteile?

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Siliziumkarbid-Halbleiter und aus ihnen gefertigte Bauelemente haben für diverse Bereiche vorteilhafte Eigenschaften. Was Siliziumkarbid von anderen Halbleitermaterialien unterscheidet und welche Einsatzgebiete es hat.

Siliziumkarbid ist eine Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff. Die chemische Abhürzung ist SiC.

Es handelt sich um einen wasserbeständigen Feststoff, der natürlich vorkommt, aber auch mit diversen technischen Verfahren hergestellt werden kann. Die weltweite Produktion liegt laut Wikipedia bei 45.000 Tonnen, vorwiegend produziert wird in China.

Siliziumkarbid als Halbleitermaterial

Siliziumkarbid gehört zu den Halbleitern, das heißt, es leitet besser als Nichtleiter und schlechter als Leiter, zum Beispiel Kupfer. Halbleiter eignen sich, um elektronische Bauelemente daraus zu fertigen.

Derzeit machen SiC-Halbleiter nur etwa ein Zehntel des gesamten Halbleitermarktes aus. Da sie jährliche Wachstumsraten von bis zu einem Viertel des Marktvolumens haben, könnte sich das allerdings schnell ändern. Dass sie so schnell zulegen, liegt an ihren Eigenschaften.

Vorteile von SiC

Gegenüber anderen Halbleitermaterialien hat das Material diverse Vorteile. In Siliziumkarbid ist der Abstand zwischen den Elektronenniveaus (Bändern), die so genannte Bandlücke, größer ist als beispielsweise bei Siliziumoxid. Deshalb fließen die Elektronen auch schon bei erheblich kleineren Bauteildimensionen geregelt. Die Bauelemente kommen also mit bis zu einem Zehntel der Grüße aus.

Sie erzeugen auch nur halb so viel Abwärme wie die üblichen Silizium-Halbleiter. Das bedeutet, dass die Kühlanforderungen geringer sind. Vor allem aber sind sie effizienter, da sie den verbrauchten Strom zu geringeren Anteilen in Wärme und zu größeren in elektrische Arbeit umwandeln.

Mehr Speed

Außerdem schalten SiC-Halbleiter drei- bis fünfmal schneller. Sie können also in Bereichen verwendet werden, wo es auf Sekundenbruchteile ankommt.

Seit dem Jahr 2000 werden so genannte SIC-MOSFETs (Siliziumkarbid-Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekttransistoren) gebaut. Sie wirken wie ein elektronisches Ventil. SiC-MOSFETS können besonders hohe Spannungen aushalten, bevor ein nicht erwünschter Schaltvorgang ausgelöst wird.

Aufwändige Herstellung

Allerdings sind die Herstellungsverfahren von Siliziumkarbid aufwändig und langsam. Beispielsweise dauert die Züchtung entsprechender Kristalle für die Weiterverarbeitung knapp zwei Wochen, und die Ausgangsmaterialien müssen auf bis zu 2.400 Grad erhitzt werden. Deshalb sind diese Halbleiter teurer sind herkömmliche.

Siliziumkarbid-Wafer haben heute meist Durchmesser von 150 Millimetern, bald sollen es aber 200 sein. Je größer das Wafer-Format, desto weniger Abfall entsteht bei der Chipproduktion.

Einsatz in der Leistungselektronik

Besonders verbreitet sind Siliziumkarbid-Halbleiter in der Leistungselektronik, also da, wo direkt elektrische Ströme geschaltet werden. Dafür sprechen ihre schnelle Schaltgeschwindigkeit und ihr effizienter Umgang mit Strom.

Sehr wichtig sind sie beispielsweise für den Automotive-Bereich, wo sie die Lebensdauer von Batterien erhöhen und deren Reichweite erhöhen. Auch in 5G-Netzen, die sehr schnell schalten, und in industriellen Sensoren für IoT-/Industrie-4.0-Umgebungen werden sie verwendet. Weiter fertigt man mit ihrer Hilfe Leucht- und Fotodioden.

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