Wide-Bandgap Semiconductors

Characterization is the first step to properly design power electronic circuits. A good knowledge of the semiconductor devices enables the optimal utilization of the devices capabilities in the application. The work at ILH in the field of characterization is focused on semiconductor devices based on novel wide-bandgap materials such as GaN and SiC. Modeling is an important aspect to predict the behavior of electronic systems in simulations. This enables the optimization of the circuit during its design phase prior to the first prototype building. An accurate simulation requires a detailed model which describes the transistor behavior in all operation regions. Moreover, transistor models must also ease the circuit simulators' convergence and be computational efficient. The ILH concentrates research on development of equivalent circuit based transistor models for SiC and GaN power devices.

Open student thesis

This work aims to thermally optimize a PCB-embedded Gallium Nitride half-bridge by FEM simulations which are then to be verified by thermal measurements. 

Contact: Aline Reck

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This research aims to enhance the accuracy of modeling gallium nitride (GaN) power components by integrating thermal impedance curves into the ASM-HEMT model. These curves, extracted from GaN transistor datasheets and approximated using an RC thermal network in Matlab Simulink, will be incorporated into ASM-HEMT Verilog-A code using Advanced Design System (ADS). Simulations will then validate the improved thermal behavior predictions of GaN transistors under various operating conditions.

Contact: Aline Reck

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In modern power electronics, the aim is to increase power density and efficiency. For thermal design and reliability, precise knowledge of switching and conduction losses is of paramount importance. These are not only dependent on the gate-source and drain-source voltage and current, but are also susceptible to degradation. The aim of this work is to develop a degradation model for a transistor. For this purpose, an accelerated lifetime test setup is to be built, with a Peltier element for fast thermal cycling and thus a high acceleration factor of degradation. During the accelerated lifetime test, special parameters are to be characterized repeatedly in order to determine their influence and degradation.

Contact: Ruben Schnitzler

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Transistoren auf Basis von Galliumnitrid (GaN) gelten als vielversprechende Bauteile, um fundamentale, materialbedinge Beschränkungen siliciumbasierter Leistungstransistoren zu übertreffen. Doch neben ihren positiven Eigenschaften trüben einige Nachteile das sonst positive Gesamtbild. Eines dieser Probleme ist der sog. „Dynamische RDS,on-Effekt“, welcher die temporäre Erhöhung des Durchgangswiderstandes unmittelbar nach dem Einschalten beschreibt. Gerade bei höheren Schaltfrequenzen, welche durch die Nutzung von GaN-HEMTs angestrebt werden, spielt dieser Effekt also eine große Rolle. In dieser studentischen Arbeit soll der dynamische On-State-Widerstand eines HEMTs vermessen und der Einfluss verschiedener äußerer Parameter untersucht werden.

Arbeitspunkte

  • Einarbeitung in die Thematik des dynamischen RDS,on-Effektes
  • Einarbeitung in die zugrunde liegende Messmethodik
  • Design von Platinen für die Vermessung der HEMTs
  • Durchführung von Messreihen, Analyse der erhobenen Daten
  • Datenauswertung
  • Ausarbeitung und Vortrag

Kontakt: Mathias Weiser

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Bedingt durch ihre vorteilhaften Materialeigenschaften sind Transistoren aus Galliumnitrid (GaN) auch für leistungselektronische Anwendungsbereiche attraktiv. Lange Zeit waren für Transistoren dieser Art allerdings nur empirische Modelle verfügbar. In jüngster Vergangenheit wurden von der „Compact Modelling Coalition“, einer Interessengemeinschaft für die Standardisierung von Simulationsmodellen, zwei physikalisch basierte Modelle als Industriestandard vorgeschlagen: das „MIT Virtual Source GaN“ (MVSG) des MIT, sowie das „Advanced Spice Model for HEMTs“ (ASM-HEMT) des IIT Kanpur. In dieser studentischen Arbeit sollen für einen vorliegenden Transistor für beide Modelle ein Parametersatz extrahiert und beide Modelle hinsichtlich ihrer Eigenschaften verglichen werden.

Arbeitspunkte

  • Einarbeitung in die Funktionsweise von MVSG und ASM-HEMT
  • Charakterisierung eines GaN-HEMTs mit einem Semiconductor Device Analyser
  • Parameterextraktion
  • Prüfung der resultierenden Transistormodelle
  • Ausarbeitung und Vortrag

Kontakt: Mathias Weiser

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Contact

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Dominik Koch

M.Sc.

Group Leader Power Electronics / Research Assistant

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Benjamin Schoch

M.Sc.

Research Assistant

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