Halbleiter-Leistungsbauelemente (eBook)

Physik, Eigenschaften, Zuverlässigkeit

Josef Lutz (Autor)

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2006 | 1. Auflage
XIV, 432 Seiten
Springer-Verlag
978-3-540-34207-6 (ISBN)

Infos

Halbleiter-Leistungsbauelemente sind das Kernstück der Leistungselektronik. Sie bestimmen die Leistungsfähigkeit, sie machen neuartige und verlustarme Schaltungen erst möglich. Da für deren Anwendung nicht nur die Vorgänge im Halbleiter, sondern auch die thermischen und mechanischen Eigenschaften wesentlich sind, beinhaltet die Behandlung der Halbleiter-Leistungsbauelemente auch die Aufbau- und Verbindungstechnik.

Das Buch geht auf die physikalischen Grundlagen ein, behandelt die Herstellungstechnologie, geht auf einzelne Bauarten wie Dioden, Transistoren, Thyristoren und MOS-Transistoren und IGBTs detailliert ein. Aufbau- und Verbindungstechnik sowie thermomechanische Probleme werden behandelt und die bekannten Zerstörungsmechanismen und Störungseffekte einzelner Bauarten werden beschrieben. Für den Systementwurf werden leistungselektronische Systeme als Ganzes betrachtet 

Autor

Professor Josef Lutz studierte Physik an der Universität Stuttgart, ab 1983 arbeitete er bei Semikron Elektronik in Nürnberg. Arbeitsschwerpunkte waren zuerst die Entwicklung von GO-Thyristoren, dann die Entwicklung von schnellen Dioden. Er führte die Controlled Axial Lifetime (CAL) Diode ein und hält eine Reihe Patente im Gebiet schneller Dioden. 1999 promovierte er in Elektrotechnik an der Univesität Ilmenau. Seit August 2001 ist er Professor für Leistungselektronik und elektromagnetische Verträglichkeit an der TU Chemnitz. Er ist Mitglied des Vorstandes des Zfm, des International Steering Committee der EPE, des Fachbeirats der PCIM und des Programmkomitees der ISPS. 2005 wurde er von der nordkaukasischen technischen universität Stavropol zum Ehrenprofessor ernannt.

Inhalt

Inhaltsverzeichnis 5
Vorbemerkung 11
1 Besonderheiten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente 14
2 Halbleiterphysikalische Grundlagen 18
2.1 Eigenschaften der Halbleiter, physikalische Grundlagen 18
Kristallgitter 18
Bandstruktur und Ladungsträger 19
Der dotierte Halbleiter 25
Majoritätsträger und Minoritätsträger 28
Beweglichkeiten 28
Driftgeschwindigkeit bei hohen Feldern 32
Diffusion freier Ladungsträger 33
Generation, Rekombination und Trägerlebensdauer 34
Stoßionisation 42
Grundgleichungen der Halbleiter-Bauelemente 44
Erweiterte Grundgleichungen 45
Neutralität 46
2.2 pn-Übergänge 48
Der stromlose pn-Übergang 48
Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs 56
Sperrverhalten des pn-Übergangs 60
Der pn-Übergang als Emitter 69
2.3 Kurzer Exkurs in die Herstellungstechnologie 74
Kristallzucht 74
Neutronendotierung zur Einstellung der Grunddotierung 77
Epitaxie 78
Diffusion 79
Ionenimplantation 86
Oxidation und Maskierung 91
Randstrukturen 93
Passivierung 98
Rekombinationszentren 99
3 Halbleiterbauelemente 106
3.1 pin-Dioden 106
Aufbau der pin-Diode 106
Kennlinie der pin-Diode 108
Dimensionierung der pin-Diode 109
Durchlassverhalten 115
Berechnung der Durchlass-Spannung 118
Emitter-Rekombination und effektive Trägerlebensdauer 121
Emitter-Rekombination und Durchlass-Spannung 125
Temperaturabhängigkeit der Durchlasskennlinie 129
Relation von gespeicherter Ladung und Durchlass-Spannung 131
Einschaltverhalten von Leistungsdioden 132
Definitionen zum Ausschaltverhalten von Leistungsdioden 136
Durch Leistungsdioden erzeugte Schaltverluste 143
Vorgang beim Abschalten von Leistungsdioden 147
Moderne schnelle Dioden mit optimiertem Schaltverhalten 156
MOS-gesteuerte Dioden 168
Ausblick 174
3.2 Schottky-Dioden 175
Zur Physik des Metall-Halbleiter-Übergangs 176
Kennliniengleichung des Schottky-Übergangs 177
Aufbau von Schottky-Dioden 180
Ohm’scher Spannungsabfall des unipolaren Bauelements 181
Schottky-Dioden aus SiC 185
4 Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsbauelementen 282
4.1 Problematik der Aufbau- und Verbindungstechnik 282
4.2 Gehäuseformen 284
Scheibenzellen 285
Die TO-Familie und ihre Verwandten 288
Module 291
4.3 Physikalische Eigenschaften der Materialien 296
4.4 Thermisches Ersatzschaltbild und thermische Simulation 298
Transformation zwischen thermodynamischen und elektrischen Größen 298
Eindimensionale Ersatzschaltbilder 303
Dreidimensionales Netzwerk 305
Der transiente thermische Widerstand 306
4.5 Parasitäre elektrische Elemente in Leistungsmodulen 307
Parasitäre Widerstände 308
Parasitäre Induktivitäten 309
Parasitäre Kapazitäten 313
4.6 Zuverlässigkeit 315
Anforderungen an die Zuverlässigkeit 315
Heißsperrdauertest und Gate-Stress-Test 317
Heißlagerung, Tieftemperaturlagerung 319
Sperrtest bei feuchter Wärme 319
Temperaturwechseltest 320
Lastwechseltest 320
Ausblick 328
5 Zerstörungsmechanismen in Leistungsbauelementen 332
5.1 Der thermischer Durchbruch - Ausfälle durch Übertemperatur 332
5.2 Überschreiten der Sperrfähigkeit 335
5.3 Stoßstrom 336
5.4 Dynamischer Avalanche 340
Dynamischer Avalanche in bipolaren Bauelementen 340
Dynamischer Avalanche in schnellen Dioden 342
5.5 Überschreiten des abschaltbaren Stroms in GTOs 352
5.6 Kurzschluss und Latch-up in IGBTs 353
Kurzschlussverhalten von IGBTs 353
Abschalten von Überströmen und dynamischer Avalanche 358
5.8 Ausfallanalyse 366
Anhang 410
A1 Beweglichkeiten in Silizium 410
A2 Beweglichkeiten in 4H-SiC 411
A3 Thermische Parameter wichtiger Materialien 412
A4 Elektrische Parameter wichtiger Materialien 413
Verzeichnis häufig verwendeter Symbole 414
Literaturverzeichnis 418
Sachverzeichnis 428
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Textauszug

1 Besonderheiten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente (S.1)

Leistungsbauelemente erfüllen im allgemeinen nur eine Funktion – die Funktion als Schalter, aber diese bei sehr hohen Anforderungen:

- hohe Sperrfähigkeit
- hohe Stromtragfähigkeit
- hohe Schaltleistung
- hohe Schaltfrequenz möglich
- belastbar durch hohe Spannungsflanken du/dt und Stromflanken di/dt
- geringe Verluste
- elektrische Isolation vom Kühlkörper
- selbstschützend (Überlast, Kurzschluss)
- potentialgetrennte, leistungsarme Ansteuerung
- geringes Volumen, geringes Gewicht
- hohe Betriebstemperatur (150°C, 200°C angestrebt)
- sehr hohe Wärmeleitfähigkeit
- hohe Lebenserwartung (Zuverlässigkeit) usw. ....

Abbildung 1.1 zeigt schematisch den Aufbau der wichtigsten Grundformen der Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik. Ebenfalls ist der Bereich angegeben, bis zu welcher Leistung – Strom, Spannung und Schaltfrequenz - Bauelemente verfügbar sind. Dabei kann aber kaum ein Bauelement alle diese Anforderungen gleichzeitig erfüllen. So kann eine Diode zwar auf 10kV ausgelegt werden, sie benötigt dafür aber eine entsprechend hohe Dicke wB der Mittelzone.

Das geht wiederum zum Nach- teil der Durchlassverluste und damit der Stromtragfähigkeit. So ist eine 8kA-10kV-Diode nicht bekannt, aber eine 8kA-Diode mit 600V Sperrspannung für Schweißanwendungen ist verfügbar. Diese 600V-Diode kann aber maximal bei etwa 1kHz eingesetzt werden. Für höhere Schaltfrequenzen sind schnelle Dioden erforderlich, die eine höhere Durchlass- Spannung aufweisen.

Die in Abb. 1.1 angegebenen Bereiche von Spannung, Strom und Schaltfrequenz werden jeweils von einzelnen auf die spezielle Eigenschaft optimierten Bauelementen erreicht. Der bipolare Transistor besteht aus drei Schichten und weist 2 pnÜbergänge auf, der genannte Strom- und Spannungsbereich konnte von einem Einzelchip in Darlington-Konfiguration erreicht werden. Der bipolare Transistor ist aber heute in fast allen neuen Anwendungen durch den IGBT vom Markt verdrängt.

Der Thyristor wurde früher als Leistungsbauelement eingeführt als der Transistor, denn der Thyristor hat keine feinen Strukturen und ist einfacher herzustellen. Er besteht aus 4 Schichten und drei pn-Übergängen. In der Konfiguration wie in Abb. 1.1 sperrt er in beiden Richtungen und kann in Vorwärtsrichtung (siehe Schaltsymbol) gezündet werden. Der Thyristor ist weit verbreitet bei Anwendungen mit niedrigen Schaltfrequenzen, das sind gesteuerte Eingangsgleichrichter die mit Netzfrequenz von 50Hz betrieben werden.

Ein weiterer Einsatzbereich des Thyristors ist die Leistungsklasse, die von anderen Bauelementen noch nicht erreicht wird – sehr hohe Spannungen und Ströme. Hier geht die Entwicklung weiter voran, einzelne Thyristoren erreichen heute 13 kV, oder im Fall der Herstellung eines einzelnen Chips aus einem Halbleiter Wafer des Durchmessers von 150mm, einen Strom bis 6kA. Weitere Sonderformen des Thyristors (Triac, GTO, GCT) werden in Kap. 3.4 behandelt.

Der MOSFET (Metall Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor) ist der Leistungsschalter, der die höchsten Schaltfrequenzen ermöglicht. Die Basis ist in einzelne p-Wannen aufgeteilt, darin befinden sich die n+- Zonen (Source). Der Gate-Bereich ist durch eine Isolatorschicht (i.a. SiO2) getrennt, durch eine Steuerspannung im Gate wird oberflächennah ein n- Kanal erzeugt, über die Steuerspannung kann der Kanal geöffnet und geschlossen werden.

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 1.1.2006
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik
• Schlagworte: Bauelement • Bipolare Transistoren • Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode • Dioden • Elektromagnet • Forschung • Halbleiterphysikalische Grundlagen • Handel • Herstellungstechnologie • Integrierter Schaltkreis • Mikrolegierungstransistor • Physik • pn-Übergänge • Schottky-Dioden • Steuerung • Systeme • Systemintegration • Technologie • Thyristor • Transistor
• ISBN-10: 3-540-34207-9 / 3540342079
• ISBN-13: 978-3-540-34207-6 / 9783540342076