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E-Book

Halbleiter-Leistungsbauelemente

Physik, Eigenschaften, Zuverlässigkeit

AutorJosef Lutz
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2006
Seitenanzahl432 Seiten
ISBN9783540342076
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis16,99 EUR
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 

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Leseprobe
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.
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis5
Vorbemerkung11
1 Besonderheiten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente14
2 Halbleiterphysikalische Grundlagen18
2.1 Eigenschaften der Halbleiter, physikalische Grundlagen18
Kristallgitter18
Bandstruktur und Ladungsträger19
Der dotierte Halbleiter25
Majoritätsträger und Minoritätsträger28
Beweglichkeiten28
Driftgeschwindigkeit bei hohen Feldern32
Diffusion freier Ladungsträger33
Generation, Rekombination und Trägerlebensdauer34
Stoßionisation42
Grundgleichungen der Halbleiter-Bauelemente44
Erweiterte Grundgleichungen45
Neutralität46
2.2 pn-Übergänge48
Der stromlose pn-Übergang48
Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs56
Sperrverhalten des pn-Übergangs60
Der pn-Übergang als Emitter69
2.3 Kurzer Exkurs in die Herstellungstechnologie74
Kristallzucht74
Neutronendotierung zur Einstellung der Grunddotierung77
Epitaxie78
Diffusion79
Ionenimplantation86
Oxidation und Maskierung91
Randstrukturen93
Passivierung98
Rekombinationszentren99
3 Halbleiterbauelemente106
3.1 pin-Dioden106
Aufbau der pin-Diode106
Kennlinie der pin-Diode108
Dimensionierung der pin-Diode109
Durchlassverhalten115
Berechnung der Durchlass-Spannung118
Emitter-Rekombination und effektive Trägerlebensdauer121
Emitter-Rekombination und Durchlass-Spannung125
Temperaturabhängigkeit der Durchlasskennlinie129
Relation von gespeicherter Ladung und Durchlass-Spannung131
Einschaltverhalten von Leistungsdioden132
Definitionen zum Ausschaltverhalten von Leistungsdioden136
Durch Leistungsdioden erzeugte Schaltverluste143
Vorgang beim Abschalten von Leistungsdioden147
Moderne schnelle Dioden mit optimiertem Schaltverhalten156
MOS-gesteuerte Dioden168
Ausblick174
3.2 Schottky-Dioden175
Zur Physik des Metall-Halbleiter-Übergangs176
Kennliniengleichung des Schottky-Übergangs177
Aufbau von Schottky-Dioden180
Ohm’scher Spannungsabfall des unipolaren Bauelements181
Schottky-Dioden aus SiC185
4 Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsbauelementen282
4.1 Problematik der Aufbau- und Verbindungstechnik282
4.2 Gehäuseformen284
Scheibenzellen285
Die TO-Familie und ihre Verwandten288
Module291
4.3 Physikalische Eigenschaften der Materialien296
4.4 Thermisches Ersatzschaltbild und thermische Simulation298
Transformation zwischen thermodynamischen und elektrischen Größen298
Eindimensionale Ersatzschaltbilder303
Dreidimensionales Netzwerk305
Der transiente thermische Widerstand306
4.5 Parasitäre elektrische Elemente in Leistungsmodulen307
Parasitäre Widerstände308
Parasitäre Induktivitäten309
Parasitäre Kapazitäten313
4.6 Zuverlässigkeit315
Anforderungen an die Zuverlässigkeit315
Heißsperrdauertest und Gate-Stress-Test317
Heißlagerung, Tieftemperaturlagerung319
Sperrtest bei feuchter Wärme319
Temperaturwechseltest320
Lastwechseltest320
Ausblick328
5 Zerstörungsmechanismen in Leistungsbauelementen332
5.1 Der thermischer Durchbruch - Ausfälle durch Übertemperatur332
5.2 Überschreiten der Sperrfähigkeit335
5.3 Stoßstrom336
5.4 Dynamischer Avalanche340
Dynamischer Avalanche in bipolaren Bauelementen340
Dynamischer Avalanche in schnellen Dioden342
5.5 Überschreiten des abschaltbaren Stroms in GTOs352
5.6 Kurzschluss und Latch-up in IGBTs353
Kurzschlussverhalten von IGBTs353
Abschalten von Überströmen und dynamischer Avalanche358
5.8 Ausfallanalyse366
Anhang410
A1 Beweglichkeiten in Silizium410
A2 Beweglichkeiten in 4H-SiC411
A3 Thermische Parameter wichtiger Materialien412
A4 Elektrische Parameter wichtiger Materialien413
Verzeichnis häufig verwendeter Symbole414
Literaturverzeichnis418
Sachverzeichnis428
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