Wie steigern SiGe-Dioden die Effizienz von AC/DC-Wandlern?

Schottky-Dioden zeichnen sich durch geringe Schaltverluste und hohe Energieeffizienz aus. Sie sind jedoch in Anwendungen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind – beispielsweise in LED-Treiberschaltungen oder in elektronischen Steuergeräten (ECUs) im Automobil – anfällig für thermisches Weglaufen. Fast-Recovery-Dioden dagegen sind bei höheren Temperaturen stabiler, dafür aber weniger effizient. Silizium-Germanium-Dioden (SiGe) bieten nun eine dritte Option, die die besten Eigenschaften von Schottky- und Fast-Recovery-Dioden vereinen und die meisten Nachteile dieser Technologien eliminieren.

Grundlagenwissen Dioden

Die einfachste Form einer Diode ist ein p-n-Übergang. Wenn die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird und die anliegende Spannung größer als die Diffusionsspannung des p-n-Überganges (etwa 0,7 V bei typischen Dotierungsniveaus in Si) ist, fließt ein Durchlassstrom (I_F), dessen Stärke exponentiell von der angelegten Spannung abhängt.

Wird eine Spannung in Sperrichtung angelegt (V_R), fließt nur ein geringer Leckstrom (I_R). Bei niedrigen Betriebstemperaturen ist der Leckstrom I_R unbedeutend. Da er aber eine stark exponentielle Temperaturabhängigkeit aufweist, kann es bei hohen Betriebstemperaturen zu thermischen Problemen kommen. Bei einer zu hohen Sperrspannung (V_R) geht die Diode in den sogennanten Lawinendurchbruch (avalanche breakdown) über und es fließt ein extrem hoher Strom, der das Bauteil dauerhaft beschädigen kann. Die Schwellenspannung wird daher auch als Durchbruchspannung (V_br, br für breakdown) bezeichnet. In Datenblättern von Dioden wird eine maximale Betriebssperrspannung (V_rmax) angegeben, die kleiner als V_br ist, um eine sichere Anwendung zu garantieren. (Bild 1).

Bei einem Ausschaltvorgang der Diode, sprich vom Durchlass- in den Sperrbetrieb, sind noch genügend Ladungsträger in der Diode vorhanden. Dieser Überschuss an Ladungen muss zuerst abgebaut werden, bevor sich die Raumladungszone ausbreiten und die Diode die Sperrspannung aufnehmen kann. Dies führt zu einem Zeitversatz und zu erheblichen Rückstromspitzen beim Ausschalten der Diode. Die Zeitdauer dieses Stroms wird als Sperrverzögerungszeit trr (Reverse Recovery Time) bezeichnet und ist – insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen – ein wichtiger Design-Parameter. Durch Verwendung zusätzlicher Dotiermaterialien wie Gold oder Platin, die dann als Rekombinationszentren fungieren, lässt sich die trr von p-n-Dioden drastisch verkürzen. Derart dotierte, sogenannte Fast-Recovery-Dioden, weisen trr-Werte in der Größenordnung einiger Nanosekunden (ns) auf. Die hohe Schaltgeschwindigkeit wird allerdings durch eine höhere Schwellenspannung VF erkauft, die von 0,7 bis auf 0,9 V ansteigen kann, was zu höheren Verlusten führt.

Herausforderungen beim thermischen Design

V_F ist der für den Durchlassverlust einer Diode entscheidende Faktor. Schottky-Dioden enthalten statt des p-n-Übergangs einen Metall-Halbleiter-Übergang; daraus ergeben sich diverse Vorteile. So verringert sich u. a. die Durchlassspannung auf Werte zwischen 0,15 und 0,45 V, abhängig vom gewählten Schottkymetall und dessen Metallaustrittsarbeit. Ein weiterer Vorteil von Schottky-Dioden ist deren sehr kurze Sperrverzögerungszeit (t_rr). Diese Eigenschaften machen Schottky-Dioden zu einer beliebten Wahl für die Anwendungen in schnell schaltenden Netzteilen.

Allerdings haben Schottky-Dioden auch einige Nachteile. Dazu zählt die im Vergleich zu p-n-Dioden relativ geringe maximale Sperrspannung. Zudem und vielleicht gravierender ist, dass Schottky-Dioden hohe IR-Werte aufweisen, die bis zu Hunderten von Mikroampere (µA) betragen können. Dagegen sind die Leckströme bei p-n-Dioden üblicherweise im Nanoampere (nA) Bereich und somit um einige Größenordnungen niedriger. Der entscheidende Aspekt dabei ist, dass I_R mit zunehmender Temperatur exponentiell ansteigt. Somit besteht die Gefahr des thermischen Weglaufens vorwiegend bei Schottky-Dioden, denn die thermische Stabilität einer Diode wird durch das Gleichgewicht zwischen der durch IR erzeugten Selbsterwärmung und der Fähigkeit der Diode als thermisches System, Wärme über das Gehäuse abzugeben, bestimmt.

Wenn die Selbsterwärmung geringer ist als die Wärme, die definiert durch den thermischen Widerstand des Systems abgeführt werden kann, nähert sich die Sperrschichttemperatur (T_j) der Diode im Betrieb einem stabilen Zustand an (Bild 2). Wird jedoch mehr Selbsterwärmung generiert als abgeführt werden kann, steigt T_j immer weiter an, bis die Diode letztendlich thermisch instabil wird. Da I_R mit zunehmender Temperatur exponentiell ansteigt, kann es zu unkontrolliertem thermischen Weglaufen kommen.

Beim Einsatz von Schottky-Dioden in Hochtemperatur-Anwendungen riskieren Entwickler thermisches Weglaufen, wenn sie bei hohen Temperaturen die elektrische Belastung der Diode nicht signifikant reduzieren (De-Rating). Aus diesem Grund neigen Entwickler dazu, Schottky-Dioden in Anwendungen wie schnell schaltenden LED-Treibern oder elektronischen Steuergeräten im Motorraum zu meiden. Bisher blieben nur p-n-Dioden als Option, die einen niedrigen Sperrstrom IR aufweisen und daher viel weniger anfällig für thermisches Weglaufen sind. Darunter leidet aber auch die Effizienz der Schaltung.

Alternative: SiGe-Diode

Die kleine Auswahl an Dioden für Hochtemperatur-Anwendungen und/oder Anwendungen, die hohe Vrmax-Werte erfordern, wurde durch das Aufkommen der SiGe-Dioden erweitert. Durch diese Technologie werden die Vorteile von Schottky- und Fast-Recovery-Dioden in einem einzigen Bauelement vereint. Anders als Schottky-Dioden basieren diese Dioden nicht nur auf einem Metall-Halbleiter-Übergang, sondern auf einem Metall/SiGe/n-Si-Übergang (Bild 3).

Wie die Bezeichnung SiGe andeutet, handelt es sich dabei um eine Legierung aus Silizium und Germanium. Diese SiGe-Bauelementestruktur reduziert den VF-Wert etwa um 150 mV im Vergleich zu einer Fast-Recovery-Diode. Außerdem ist der Sperrstrom (IR) einer SiGe-Diode wesentlich geringer als der einer Schottky-Diode (Bild 4).

SiGe weist zudem eine kurze Sperrverzögerungszeitauf und ermöglicht dadurch die Anwendung bei hohen Schaltfrequenzen. Da die SiGe-Diode zudem eine geringe Sperrverzögerungsladung (Q_RR) und einen kleinen Sperrverzögerungsstrom (I_RR) aufweist – die Werte sind mit denen einer planaren Schottky-Diode vergleichbar – sind auch die Schaltverluste niedrig. Das ist sehr wichtig, da bei hohen Frequenzen die Schaltverluste entscheidend zum Gesamtverlust beitragen. Die Kombination aus kleinem I_R und geringen Schaltverlusten minimiert zudem das Risiko des thermischen Weglaufens.

SiGe-Dioden bieten V_rmax-Werte bis 200 V. Die Dioden wurden ohne Minderung der Sperrspannung bei Betriebs­temperaturen bis 175 °C getestet, ohne dass dabei Probleme mit thermischem Weglaufen auftraten (Bild 5).

Die SiGe-Dioden von Nexperia sind mit Vorwärtsströmen von 1, 2 und 3 A verfügbar und weisen Leckströme von nur 0,2 nA (V_R = 120 V (gepulst), T_j = 25 °C) auf. Dank ihrer sehr kurzen Sperrverzögerungszeit (trr) von nur 6 ns eignen sie sich – wie Schottky-Dioden – für schnelle Schaltanwendungen mit niedrigen Schaltverlusten. Die Produkte sind zweifach gemäß der AEC-Q101 Norm qualifiziert.

Zusammenfassung

Schottky-Dioden sind eine bewährte Option für energieeffiziente Wandler-Topologien, aber ihr relativ hoher Sperrstrom kann bei Hochtemperaturanwendungen zu thermischem Weglaufen und zur Beschädigung des Bauteils führen. Eine Alternative dazu stellen die weniger effizienten aber thermisch stabilen Fast-Recovery-Dioden dar.

Nexperia hat die bei Transistoren bewährte SiGe-Technologie erfolgreich auf Dioden übertragen. Diese neue Diodentechnologie kombiniert die Energieeffizienz und das schnelle Schaltverhalten von Schottky-Dioden mit der thermischen Stabilität von Fast-Recovery-Dioden. Dadurch sind die SiGe-Dioden eine gute Lösung für Designs, die hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind – typische Beispiele sind LED-Treiberschaltungen, Steuergeräte (ECUs) im Automobil, Netzteile und Kommunikationsinfrastruktur. (na)

Mehr Informationen zu den SiGe-Dioden finden Sie beim Distributor und auf der Produktseite von Nexperia.