Leistungsbauelemente

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1 II (Kurs-Nr ), apl. Prof. Dr. rer. nat. Fakultät für Mathematik und Informatik Fachgebiet Elektrotechnik und Informationstechnik ( ) D Hagen 1

2 Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen pn-übergänge Halbleitertechnologie pin-dioden Bipolare Leistungstransistoren Thyristoren IGBT s Schottky-Dioden Leistungs-MOSFETs 2

3 Einleitung 10,000 Si-Diode/-Thyristor SCR U Br (V) 1, Siliziumdiode GTO IGBT Siliziumthyristor Selendiode Germaniumdiode IGBT 10 Kupferoxiduldiode Jahr Entwicklung von n (z. B. Sperrfähigkeit) 3

4 4 normale Thyristoren SCR silicon controlled rectifier Zweirichtungsthyristoren DIAC diode for alternating current TRIAC triode ac switch asymmetrisch sperrende Thyristoren ASCR asymmetrical silicon controlled rectifier rückwärts leitende Thyristoren RCT reverse conducting thyristor abschaltbare Thyristoren GATT gate assisted turn-off thyristor GTO gate turn-off thyristor Fotothyristoren LTT light triggered thyristor Überspannungsschutzdioden BOD breakover diode MOSFET-kontrollierte Thyristoren MCT MOSFET controlled thyristor... Thyristor- Typen

5 Prinzipieller Aufbau eines Thyristors (4-Schichtelement) (SCR: silicon controled rectifier, hier npnp-scr): Schichtfolge: n +, p, n, p + (A: Anode, G: Gate, K: Kathode) K Metallisierung G N 2 P 2 N 1 p n n + J 1 J 2 Oxid (SiO 2 ) K G 5 P 1 pn-übergänge: J 1, J 2, J 3 p + A Metallisierung V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999) J 3 A

6 Dotierprofil eines Thyristors: Thyristoren (SCR) Schichtfolge: n +, p, n, p + (A: Anode, G: Gate, K: Kathode) G K A 6 V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

7 Aufbau eines Thyristors: Thyristoren Diffusionsprofil eines auf 1600 V ausgelegten Thyristors (entlang der Linie A B) Wafersubstrat n -dotiert J 3 J 3 J 2 J 2 J 1 J1 7 J. Lutz, (Springer, 2006)

8 Ersatzschaltbild des Thyristors: Thyristor formal in zwei Teiltransistoren zerlegbar Ersatzschaltbild 8 J. Lutz, (Springer, 2006)

9 Aufbau eines Thyristors: Thyristoren Symbol (a) und vereinfachter Aufbau eines Thyristors (b) Thyristor 4-Schichtelement mit 3 pn-übergängen 1 Verlauf des elektrischen Feldes in Vorwärtspolung (c) Verlauf des elektrischen Feldes in Rückwärtspolung (d) 9 J. Lutz, (Springer, 2006)

10 Funktionsweise des Thyristors (I): Spannung in Vorwärtsrichtung: J 1 und J 3 offen J 2 gesperrt über J 2 bildet sich ein elektrisches Feld aus E-Feld dringt in n -Zone ein Spannung in Sperrrichtung: J 2 offen J 1 und J 3 gesperrt 10 wegen der hohen Dotierung auf beiden Seiten von J 3 Sperrspannung klein ( 20 V) der wesentliche Teil der Sperrspannung wird von J 1 aufgenommen E-Feld dringt in n -Zone ein Mittelzone nimmt in beiden Fällen die Spannung auf symmetrisch sperrendes Bauelement J. Lutz, (Springer, 2006)

11 Funktionsweise des Thyristors (II): Im Grundzustand Thyristor sperrt in beide Richtungen In Durchlassrichtung Thyristor sperrt bis zu einer Zündoder Kippspannung Stromimpuls am Gate Thyristor wird gezündet und geht in den leitenden Zustand über 11 Thyristorzündung durch Strominjektion am Gate Mittelzone (n ) wird mit Ladungsträgern überschwemmt wenn: positive Spannung zwischen Anode und Kathode wenn: Mindeststrom durch die Sperrschicht fließt In Sperrrichtung Thyristor sperrt wie eine normale Diode Abschalten des Thyristors Übergang in Sperrzustand Unterschreiten eines Haltestrom (abschalten, umpolen) negativer Stromimpuls am Gate bei GTO-Thyristoren Freiwerdezeit (beim Abschalten) Schaltfrequenz

12 Thyristorkennlinie: 12 Wichtige Kenngrößen: U R(BR) : Begrenzung der Sperrfähigkeit (Rückwärtsrichtung) U RRM : Maximale Sperrspannung im Rückwärtsbetrieb Dauerbetrieb U BO : Zünd- oder Kippspannung (BO: break over) U DRM : Maximale Sperrpannung in Vorwärtsrichtung Dauerbetrieb I DD : Sperrstrom U DRM gilt für einen bestimmten Sperrstrom I DD I L : Einraststrom (L: latching) Mindeststrom, der nach dem Zünden fließen muss (ansteigender Ast), damit der Thyristor nicht erlischt I H : Haltestrom darf nicht unterschritten werden (absteigender Ast), damit das Bauelement eingeschaltet bleibt I L > I H J. Lutz, (Springer, 2006)

13 (SCR) Thyristorkennlinie: I G2 > I G1 13 Über Kopf zünden I G = 0 Anmerkung: Überkopfzündung ist prinzipiell möglich, sollte aber vermieden werden V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

14 Zündarten des Thyristors: Thyristoren Zündung durch Gatestrom I G häufigste Zündart Zündung durch Überschreitung der Kippspannung U BO problematisch Zündung durch eine Spannungsflanke du D /dt (u D : Durchlassspannung) unerwünscht für technischen Einsatz wird maximale erlaubte Spannungsflanke vorgegeben Zündung durch Lichtimpuls Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren Elektronen fließen zur Anode, Löcher zur Kathode Generationsstrom hat gleiche Wirkung wie Gatestrom Zündung durch Temperaturerhöhung 14

15 Zündung des Thyristors: Thyristoren Stromverteilung im Thyristor unmittelbar nach Zündung 15 J. Lutz, (Springer, 2006)

16 Löschen des Thyristors: Thyristoren Ausschalten des Thyristors üblicherweise durch Umpolung der treibenden Spannung Durchlassfall Mittelzone (n -) ist mit Ladungsträgern überschwemmt Kommutierung zunächst tritt ein Strom in Rückwärtsrichtung auf gespeicherte Ladung wird frei Damit der Thyristor wieder in Vorwärtsrichtung belastbar wird, muss die Speicherladung fast komplett ausgeräumt werden Dauer des Ausräumens Freiwerdezeit t q 16 J. Lutz, (Springer, 2006)

17 Löschen des Thyristors: Thyristoren Thyristor offen, Strom fließt in Vorwärtsrichtung, Spannung ist klein J 3 wird zuerst frei, kann aber nur 20 V aufnehmen (hohe p-dotierung der Basis) Rückstrom fließt unverändert weiter Nach Rückstromspitze Strom baut sich langsam ab Spannung baut sich auf, Spannungsspitze tritt auf u D : Diffusionsspannung des pn-übergangs Spannung wird umgepolt, dabei: du D /dt darf nicht zu groß werden Thyristor darf nicht zünden 17 J. Lutz, (Springer, 2006)

18 Sperrverhalten des Thyristors: Verlauf des Lawinendurchbruchs und des Punch-Through* für unterschiedliche Weiten des n -Zone Linie 1: Lawinendurchbruch in Abhängigkeit von N D (Dotierung) Linien 2, 3: Punch-Through für Basisweiten w B = 250 µm, 450 µm 18 Thyristor-Dimensionierung: nahe Schnittpunkt von Linie 1 und Linie 2 (1600 V SCR) oder Linie 3 (3000 V SCR) * Punch-Through: E-Feld dringt in p-gebiet ein J. Lutz, (Springer, 2006)

19 Temperaturabhängigkeit der Kippspannung: Stromverstärkungsfaktoren eines Transistors temperatur- und stromabhängig Stromverstärkungsfaktoren steigen bei niedrigen Temperaturen mit steigender Temperatur an Bedingung für Lawinendurchbruch bei offener Basis wird mit steigender Temperatur früher erreicht Kippspannung U BO nimmt ab Einführung von Emitter-Kurzschlüssen U BO deutlich größer als beim konventionellen Thyristor z. B. Kurzschluss zwischen Basis und Emitter des npn- Transistors Basisstrom fließt über Emitter ab Erst wenn Strom sehr groß Spannungsabfall über Widerstand wird groß Stromverstärkung U BO nimmt ab 19 J. Lutz, (Springer, 2006)

20 Emitter-Kurzschlüsse: Einführung von Emitter-Kurzschlüssen zur Erhöhung der Kippspannung 20 J. Lutz, (Springer, 2006)

21 Temperaturabhängigkeit der Kippspannung: Einfluss von Emitter-Kurzschlüssen auf die Temperaturabhängigkeit der Kippspannung U BO Mit Emitter-Kurzschluss Ohne Emitter-Kurzschluss 21 J. Lutz, (Springer, 2006)

22 Bauformen von normalen Thyristoren (SCR): G A K K HK G 22 Wikipedia a) Kleinthyristor b) Druckkontaktierter Thyristor a) A Anode HK Hilfskathode K Kathode G Steueranschluss (Gate) 1) Stromanschlüsse 5) Tellerfeder 2) Keramische Durchführung 6) Siliziumscheibe 3) Steueranschluss 7) Rinbuckelschweissung 4) Kupferstempel 8) Kupferboden b) A

23 Weitere Bauformen von Thyristoren: Asymmetrisch sperrende Thyristoren (ASCR) Rückwärts leitende Thyristoren (RCT) TRIAC DIAC Abschaltbare Thyristoren (GTOs) Double-Gated GTO Gate-Commutated-Thyristor 23 J. Lutz, (Springer, 2006)

24 Eigenschaften von asymmetrisch sperrende Thyristoren*: zwischen anodenseitiger p + -Schicht und n- (n -) Schicht wird eine hoch dotierte n + -Schicht eingefügt stark eingeschränkte Sperrfähigkeit in Rückwärtsrichtung Vorteile gegenüber konventionellen Thyristoren: um Faktor 2 3 kleinere Freiwerdezeit geringere Einschaltverlustleistung Dicke der n- (n -) Schicht kann verringert werden niedrigere Durchlassspannung ASCR* *ASCR asymmetric controlled rectifier p + n p n + p + n + n p n + A K 24

25 Eigenschaften von rückwärts leitenden Thyristoren*: manche Thyristoren sollen in Rückwärtsrichtung einen Strom führen können Diode antiparallel zum Thyristor in das Bauteil integriert *RCT reverse conducting thyristor Vorteile gegenüber konventionellen Thyristoren: geringere Freiwerdezeit niedrigere Durchlassspannung geringere Einschaltverlustleistung geringere Induktivität (keine Verbindungsleitungen) 25

26 Aufbau von rückwärts leitenden Thyristoren (RCT*): 26 Diodenbereich *RCT reverse conducting thyristor Thyristorbereich V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

27 TRIAC: TRIAC zwei Thyristoren in antiparalleler Anordnung auf einem Chip integriert TRIAC kann in beide Richtungen gezündet werden 27 J. Lutz, (Springer, 2006)

28 Prinzipieller Aufbau von Thyristortrioden / TRIACS (TRIAC: triode ac switch): Schichtfolge: n + (p), n, p + (n + ) (MT 1, 2 : Elektroden, G: Gate) 5-Schichtelement MT 1 G Metallisierung 28 p n p + n + J 3 J 4 J 2 Oxid (SiO 2 ) J 5 J 1 pn-übergänge ("junction"): J 1, J 2, J 3, J 4, J 5 n + MT 2 Metallisierung MT 1 MT 2 V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999) G

29 Bauformen von TRIACs, Kennlinie: Wikipedia Einsatzgebiete von TRIACs: Phasenschnittsteuerungen z. B. Dimmer Opto-TRIACs (Zündung mit Licht) Halbleiterrelais in Leistungselektronik werde einzelne Thyristoren eingesetzt (TRIACs nicht für sehr große Ströme herstellbar) 29

30 Prinzipieller Aufbau von Thyristordioden (DIACS): (DIAC: diode alternating current) Schichtfolge: n + (p), n, p + (n + ) (A 1, 2 : Anoden) wie TRIAC aufgebaut, aber ohne Gate (5-Schichtelement) Metallisierung A 1 p + n + A 1 n J 1 J 2 30 p + pn-übergänge: J 1, J 2, J 3, J 4 A 2 Metallisierung V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999) n + J 4 J 3 A 2

31 Kennlinie eines DIACs: wie beim TRIAC aber nur Überkopfzündung keine gesteuerte Zündung über Gate Einsatzgebiete von DIACs: Zündschaltungen von Thyristorsteuerungen (Zündimpulse mit steilen Flanken) Wechselstromschalter sind möglich, werden aber in der Praxis nicht verwendet 31

32 Abschaltbarer Thyristor (GTO, Gate Turn-Off Thyristor): Thyristor, der über ein Gate gesteuert / abgeschaltet wird Vollständig kontrollierbarer Schalter kann beliebig an- und ausgeschaltet werden Für hohe Spannungen > 2500 V, hohe Ströme > 400 A Rel. lange Abschaltzeit ( 10 µs) Schaltfrequenz: 1 khz Hat lange die Hochleistungsanwendungen dominiert wird heute mehr und mehr durch IGBTs ersetzt 32 V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

33 Abschaltbarer Thyristor (GTO): Um aus Thyristor ein abschaltbares Bauelement zu machen besondere Maßnahmen notwendig GTO unterscheidet sich von normalen Thyristoren durch Emitterstruktur aus Fingern Fingerbreite: µm Gate-Anschluss ringförmig Spannungsabfall in Metallisierung des Gates darf nicht zu groß werden GTO hohe Strombereiche auf kompletten Wafer ein GTO-Bauelement 33 J. Lutz, (Springer, 2006)

34 GTO-Thyristor: Anordnung der Emitterfinger bei einem 4.5 kv-gto von Infineon ( = 82 mm) 34 J. Lutz, (Springer, 2006)

35 GTO-Thyristor: Stromfluss in einem Finger des GTO-Thyristors beim Abschalten 35 J. Lutz, (Springer, 2006)

36 GTO (Aufbau): 36 GTO-Technik nur effektiv, wenn Kathodenregion als n + -dotierter Emitter-Streifen ausgelegt ist Hochleistungsbetrieb: möglichst große Kathodenfläche sorgfältiges Layout nötig Zusammenschaltung von hunderten GTO-Zellen auf einem Wafer GTO-Zellen müssen simultan abgeschaltet werden, damit der Strom gleichmäßig über die Waferfläche verteilt wird keine simultane Abschaltung Zerstörung des GTOs V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

37 GTO-Thyristor: GTO-Thyristor mit anodenseitigen Emitter-Kurzschlüssen Verbesserung der Ausräumung von Ladungsträgern (Emitter-Kurzschlüsse besser als Au-Rekombinationszentren) Über das Gate wird der Löcherstrom ausgeräumt Injektion von Elektronen aus n + -Emitter unterbunden 37 Elektronen werden über die anodenseitigen Kurzschlüsse ausgeräumt GTO mit Emitter-Kurzschlüssen verliert Sperrfähigkeit in Rückwärtsrichtung J. Lutz, (Springer, 2006)

38 GTO (Abschaltverhaltenbau): Thyristoren Charakteristisch Schweifstrom ( Tail Current ) 38 V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

39 Double-Gate-GTO (DGTO): Verringerte Abschaltzeiten Thyristoren Verringerte Abschaltverluste Höhere Spannungen bei gleicher Schaltfrequenz z. B.: 6 kv-dgto kann mit 1 khz Schaltfrequenz betrieben werden 39 V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

40 Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen pn-übergänge Halbleitertechnologie pin-dioden Bipolare Leistungstransistoren Thyristoren IGBT s Schottky-Dioden Leistungs-MOSFETs 40

41 41 Gliederung Pause