Halbleiter-Leistungsbauelemente

Transkript

1 Josef Lutz Halbleiter-Leistungsbauelemente Physik, Eigenschaften, Zuverlässigkeit In weiten Teilen aufbauend auf dem Manuskript einer Vorlesung von Heinrich Schlangenotto, gehalten an der Technischen Universität Darmstadt, sowie auf Arbeiten von Uwe Scheuermann. Mit 283 Abbildungen ^Sp ringer

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis VII 1 Besonderheiten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente 1 2 Halbleiterphysikalische Grundlagen Eigenschaften der Halbleiter, physikalische Grundlagen 5 Kristallgitter 5 Bandstruktur und Ladungsträger 6 Der dotierte Halbleiter 12 Majoritätsträger und Minoritätsträger 15 Beweglichkeiten 15 Driftgeschwindigkeit bei hohen Feldern 19 Diffusion freier Ladungsträger 20 Generation, Rekombination und Trägerlebensdauer 21 Stoßionisation 29 Grundgleichungen der Halbleiter-Bauelemente 31 Erweiterte Grundgleichungcn 32 Neutralität pn-übergänge 35 Der stromlose pn-übergang 35 Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-übergangs 43 Sperrverhalten des pn-übergangs 47 Der pn-übergang als Emitter Kurzer Exkurs in die Herstellungstechnologie 61 Kristallzucht 61 Neutronendotierung zur Einstellung der Grunddotierung 64 Epitaxie 65 Diffusion 66

3 VI Ionenimplantation -,-, Oxidation und Maskierung 7g Randstrukturen o 0 Passivierung o<- Rekombinationszentrcn os 3 Halbleiterbauelemente pin-dioden 03 Aufbau derpin-diode 93 Kennlinie derpin-diode QC Dimensionierung derpin-diode % Durchlassverhalten \02 Berechnung der Durchlass-Spannung ] 05 Emitter-Rekombination und effektive Trägerlebensdauer Emitter-Rekombination und Durchlass-Spannung..". ] 12 Temperaturabhängigkeit der Durchlasskennlinie 116 Relation vom gespeicherter Ladung und Durchlassspannung 1 18 Einschaltverhalten von Leistungsdioden " 119 Definitionen zum Ausschaltverhalten von Leistungsdioden..123 Durch Leistungsdioden erzeugte Schaltverluste 130 Vorgang beim Abschalten von Leistungsdioden Moderne schnelle Dioden mit optimiertem Schaltverhalten 143 MOS-gesteuerte Dioden ]55 Ausblick lfil 3.2 Schottky-Diodcn, (2 Zur Physik des Metall-Halbleiter-Übergangs Z'Z'Z. 163 Kennliniengleichung des Schottky-Übergangs.'...' Aufbau von Schottky-Diodcn " ] 67 Ohm'scher Spannungsabfall des unipolaren Bauelements 168 Schottky-Dioden aus SiC ] Bipolare Transistoren jyy Funktionsweise des Bipolartransistors ] 77 Aufbau des Leistungstransistors 17g Kennlinie des Leistungstransistors 180 Sperrverhaltendes Leistungstransistors lg] Stromverstärkung des Bipolartransistors 184 Basisaufweitung, Feldumverteilung und zweiter Durchbruch 189 Grenzen des Bipolartransistors Thyristoren,n-, Aufbau und Funktionsweise 193 Kennlinie des Thyristors ]96 Sperrverhalten des Thyristors "" i 9 o

4 VII Die Funktion von Emitter-Kurzschlüssen 200 Zündarten des Thyristors 201 Zündausbreitung 202 Folgezündung - Amplifying Gate 203 Löschen des Thyristors und Freivverdezeit 204 DerTriac 206 Der abschaltbare Thyristor (GTO) 208 Der Gate Commutated Thyristor (GCT) MOS Transistoren 216 Funktionsweise des MOSFET 216 Aufbau von Leistungs-MOSFETs 219 Kennlinienfeld des MOS-Transistors 222 Kennliniengleichung des MOSFET-Kanals 223 Der Ohm'sehe Bereich 227 Superjunction-MOSFETs 229 Schalteigenschaften des MOSFET 232 Schaltverluste des MOSFET 237 Sicherer Arbeitsbereich des MOSFET 239 Die inverse Diode des MOSFET 240 Ausblick IGBTs 243 Funktionsweise 243 Die Kennlinie des IGBT 246 Das Schaltverhalten des IGBT 247 Die Grundtypen PT-IGBT und NPT-IGBT 250 Ladungsträgerverteilung im IGBT 254 Erhöhte Ladungsträgerinjektion in modernen IGBTs 256 Die Wirkung der Löcherbarriere" 262 Kollektorseitige Buffer-Schichten 264 Der beidseitig sperrlähige IGBT 266 Ausblick Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsbauelementen Problematik der Aufbau- und Verbindungstechnik Gehäuseformen 271 Scheibenzellen 272 Die TO-Familie und ihre Verwandten 275 Module Physikalische Eigenschaften der Materialien Thermisches Ersatzschaltbild und thermische Simulation 285 Transformation zwischen thermodynamischen und elektrischen Größen 285

5 VIII Eindimensionale Ersatzschaltbilder 290 Dreidimensionales Netzwerk 292 Der transiente thermische Widerstand Parasitäre elektrische Elemente in Leistungsmodulen 294 Parasitäre Widerstände 295 Parasitäre Induktivitäten 296 Parasitäre Kapazitäten Zuverlässigkeit 302 Anforderungen an die Zuverlässigkeit 302 Heißsperrdauertest und Gate-Stress-Test 304 Heißlagerung, Tieftemperaturlagerung 306 Sperrtest bei feuchter Wärme 306 Temperaturwechseltest 307 Lastwechseltest 307 Ausblick Zerstörungsmechanismen in Leistungsbauelementen Der thermischer Durchbruch - Ausfälle durch Übertemperatur Überschreiten der Sperrfähigkeit Stoßstrom Dynamischer Avalanche 327 Dynamischer Avalanche in bipolaren Bauelementen 327 Dynamischer Avalanche in schnellen Dioden Überschreiten des abschaltbaren Stroms in GTOs Kurzschluss und Latch-up in IGBTs 340 Kurzschlussverhalten von IGBTs 340 Abschalten von Überströmen und dynamischer Avalanche Ausfälle durch Höhenstrahlung Ausfallanalyse Durch Bauelemente verursachte Schwingungseffekte und elektromagnetische Störungen Schaltungs- und bauelementbedingte Schwingungseffekte 357 Frequenzbereich elektromagnetischer Störungen 357 Oberschwingungen bzw. Harmonische LC-Schwingungen 360 Abschalt-Oszillationen bei parallel geschalteten IGBTs 360 Abschalt-Oszillationen bei snappigen Dioden Trägerlaufzeit-Oszillationen 366 Plasma Extraction Transit Time (PETT) Oszillationen 366 Impact Ionisation Transit Time (IMPATT) Oszillationen 374

6 7 Leistungselektronische Systeme Begriffsbestimmung und Merkmale Monolithisch integrierte Systeme - Power IC's Auf Leiterplattenbasis integrierte Systeme Hybride Integration 339 Anhang 397 AI Beweglichkeiten in Silizium 397 A2 Beweglichkeiten in 411-SiC 398 A3 Thermische Parameter wichtiger Materialien 399 A4 Elektrische Parameter wichtiger Materialien 400 A5 Verzeichnis häutig verwendeter Symbole 401 Literaturverzeichnis 495 Sachverzeichnis 415