Die Erforschung und Entwicklung von WBG-Halbleitern (Wide Bandgap, Materialien mit großer Bandlücke) für Leistungsbauelemente führt zu technischen Fortschritten in den Automobil-, Energie- und Kommunikationsbranchen und resultiert beispielsweise in Innovationen in der Elektromobilität, führt zu energieeffizienteren Stromnetzen und verlängert Batterielaufzeiten (Bild 1). WBG-Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid  (GaN) sind technisch immer besser beherrschbar und zugleich sinken ihre Herstellungskosten, weshalb sie in vermehrtem Maße in der Leistungselektronik zum Einsatz kommen.

Bild 1: Mit WBG-Halbleitern werden leistungselektronische Systeme effizienter und sorgen damit für Fortschritte im Transportwesen sowie in der Energie- und Kommunikationsbranche.

Bild 1: Mit WBG-Halbleitern werden leistungselektronische Systeme effizienter und sorgen damit für Fortschritte im Transportwesen sowie in der Energie- und Kommunikationsbranche. Keysight

Diese Halbleitermaterialien bieten im Vergleich zu Silizium (Si), dessen physikalische Grenzen mittlerweile nahezu ausgereizt sind, überlegene Eigenschaften. Dadurch, dass Bauelemente mit WBG-Halbleitern höhere Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen und höhere Spannungen und Ströme über größere Temperaturbereiche verarbeiten können, erhöhen sie die Energieeffizienz und die Zuverlässigkeit aktueller Designs und sparen zudem Platz. Um das volle Potenzial dieser Bauelemente auszuschöpfen und erfolgreiche Endprodukte daraus zu fertigen, müssen Entwickler mehr über sie wissen, als in den Datenblättern steht.

Modellierung und parametrische Messungen

In Leistungsanwendungen, in denen es auf Energieeffizienz, hohe Leistungsdichte, hohe Schaltfrequenz und Temperaturfestigkeit ankommt, sind WBG-Halbleiter aufgrund ihrer außergewöhnlichen Materialeigenschaften dem Silizium überlegen. Bei der Bewertung von WBG-Leistungsbauteilen sind ihre im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen erweiterten Betriebsbereiche (Spannung, Strom und Temperatur) zu berücksichtigen. Zugleich ist auch unter diesen erschwerenden Bedingungen eine hinreichende Messgenauigkeit sicherzustellen.

Der Gesamt-Leistungsverlust eines MOSFET setzt sich aus drei Größen zusammen: Durchlassverlust, Treiberverlust und Schaltverlust. Treiberverluste entstehen durch das Laden/Entladen des Gates während des Schaltens und sind von der Gate-Kapazität, der Gate-Treiberspannung und der Schaltfrequenz abhängig. Der Schaltverlust kommt durch diverse Kapazitäten zustande und ist unter anderem vom Gate-Widerstand und von der Schaltfrequenz abhängig. Im Rahmen der Charakterisierung eines MOSFET ist es daher notwendig, außer der IU-Kennlinie noch weitere Parameter wie Kapazitäten und Gate-Ladung zu messen.

EckDaten

Die Nachfrage nach WBG-Halbleiterbauelementen steigt aufgrund ihrer überlegenen elektrischen Eigenschaften, die in Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen eine höhere Energieeffizienz, schnelleres Schalten und Kosteneinsparungen ermöglichen. Um die Vorteile von WBG-Halbleitern voll auszuschöpfen, müssen Wafer- und Bauteilhersteller ihre Produkte mithilfe genauer parametrischer Messungen umfassend charakterisieren, modellieren und testen. Keysight beschreibt im Beitrag, wie diese Herausforderungen gemeistert werden können – unter anderem mit der parametrischen 3-kV-Hochspannungstest-Option, die hohe Messgenauigkeit und uneingeschränkte Systemintegrität plus ein Höchstmaß an Sicherheit für Ausrüstung und Bedienpersonal gewährleistet.

Wegen der hohen Schaltfrequenzen, Betriebsspannungen und Betriebsströme von Bauteilen auf Basis von WGB-Halbleitern sind bei der Messung dieser Parameter einige Besonderheiten zu beachten. So müssen die verwendeten Messgeräte beispielsweise in der Lage sein, Durchlasswiderstände im Sub-Milliohm-Bereich zu messen. Zur Messung von Sperrschichtkapazitäten muss das Testobjekt mit einem kleinen Wechselspannungssignal im Millivoltbereich stimuliert werden, während Spannungen von mehreren Kilovolt anliegen und Ströme von einigen Hundert Ampere fließen. Noch größer sind die Herausforderungen, wenn die Charakterisierung des Bauteils über einen weiten Temperaturbereich hinweg erfolgen soll.

Parametrische (elektrische) Messungen sind der erste Schritt zum Verständnis der Bauteileigenschaften. Anhand der gemessenen Werte lässt sich ein Verhaltensmodell des Bauteils entwickeln, das dann zur Schaltungssimulation verwendet wird. Verhaltensmodelle von Bauteilen ermöglichen es Entwicklern, Designs vor Produktionsbeginn zu simulieren, zu optimieren und zu validieren. Produktions- und Prozessingenieure können mithilfe von Simulationstools und dieser Modelle die Fertigungsausbeute maximieren. Die Entwicklung genauer Verhaltensmodelle erfordert eine umfassende Charakterisierung zahlreicher statischer und dynamischer Bauteilparameter, sowohl unter normalen als auch extremen Betriebsbedingungen. Darüber hinaus sind noch weitere Aspekte  zu berücksichtigen, so zum Beispiel Testdurchsatz, Anforderungen an Waferprober-Karten und Sicherheit von Geräten und Bedienpersonal.

 

Welche Testlösungen Keysight für Leistungsbauteile bietet, beschreibt der Beitrag auf der folgenden Seite.

Seite 1 von 212