Leistungsbauelemente

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

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

3 pn-übergang: Grenzfläche aus p-typ und n-typ Halbleiter p-typ HL n-typ HL Grundstruktur der meisten Halbleiterbauelemente Verständnis des pn-übergangs ist essentiell für das Verständnis von Halbleiter- / n Die physikalische Eigenschaften des Übergangsgebietes bestimmen das Verhalten des pn-übergangs 3 C. Kittel, Einführung in die Festkörperphysik (Oldenbourg, 1980)

4 Vor der Bildung eines pn-übergangs (I): p-typ Si n-typ Si E C E C E F E F E V E V Wir betrachten moderat dotierte Halbleiter (Si) n-typ Si: N D < 0.05N C p-typ Si: N A < 0.05N V Boltzmann-Näherung (ansonsten Fermi-Dirac-Statistik) N C, N V : effektive Zustandsdichten für das Leitungsband und das Valenzband N A, N D : Konzentration der Akzeptoren und Donatoren 4

5 5 Vor der Bildung eines pn-übergangs (II): p-typ Si n-typ Si E C E V E F E C E V E F = = T k E E N N p V F V A exp = = T k E E N N n F C C D exp = h T k m N e C π = h T k m N h V π = A V V F N N T k E E ln = D C F C N N T k E E ln

6 6 Abrupter pn-übergang (einige Formeln): Thermodynamisches Gleichgewicht (keine Spannung angelegt, kein Stromfluss) Elektronenstromdichte: Löcherstromdichte: Das Fermi-Niveau ist über die gesamte Probe konstant x E n x n q T k E n q J F n n n = + = = μ μ 0 x E p x p q T k E p q J F p p p = = = μ μ 0 = 0 x E F

7 Nach der Bildung des pn-übergangs (I): E C p-typ Si n-typ Si Elektronen Im Moment des Kontakts E F E C E F E V Löcher Das Fermi-Niveau der p-dotierten Seite richtet sich mit dem Fermi-Niveau der n-dotierten Seite aus Diffusion der beweglichen Ladungsträger über die Kontaktfläche hinaus wegen Konzentrationsgradient Bildung eines elektrischen Feldes durch nicht mobile ionisierte Dotieratome Raumladungs- oder Verarmungszone E V 7

8 Nach der Bildung des pn-übergangs (III): p-typ Si n-typ Si E C E F E C E F E V E V Verarmungszone (Raumladungszone) Elektronen und Löcher diffundieren so lange über die Kontaktfläche in das p- bzw. n-dotierte Gebiet, bis das Gegenfeld, das sich aus den ionisierten Atomrümpfen aufbaut, die Diffusion unterbindet 8

9 Abrupter pn-übergang (Raumladungszone): p-dotierter Bereich n-dotierter Bereich 9 p-dotierung n-dotierung Verarmungszone (Raumladungszone)

10 Abrupter pn-übergang (Raumladungszone): p-dotierter Bereich n-dotierter Bereich Banddiagramm q V bi = E V bi : Diffusionspotenzial ( built-in voltage ) g ( q V + q V ) n p-dotierung p n-dotierung Verarmungszone (Raumladungszone) 10

11 Abrupter pn-übergang (Raumladungszone): p-dotierter Bereich n-dotierter Bereich Elektrisches Feld Fläche: Diffusionspotenzial Potenzial 11 V bi : Diffusionspotenzial ("built-in voltage") p-dotierung n-dotierung Verarmungszone (Raumladungszone)

12 Abrupter pn-übergang ("built-in" Spannung V bi ): GaAs Si N B : "background" Dotierung der schwächer dotierten Seite Ge V bi jeweils für p + n- und und n + p-übergänge es gilt: V bi (n + p) > V bi (p + n) 12

13 Abrupter pn-übergang (Raumladungszone): Breite der Raumladungszone W D in Abhängigkeit von N B (p + n-übergang aus Silizium bei T = 300 K) 13 Linke y-achse: Breite der Raumladungszone W D Rechte y-achse: Kapazität C der Verarmungszone N B : "background" Dotierung der schwächer dotierten Seite Direkter Zusammenhang zwischen Kapazität und Breite der Raumladungszone

14 Abrupte und graduelle : Abrupter pn-übergang p-dotierter Bereich n-dotierter Bereich flache Dotierung durch Ionenimplantation kurze Diffusionszeiten "linearly graded junction" p-dotierter Bereich n-dotierter Bereich kontinuierlicher Übergang von p-typ nach n-typ tiefe lange Diffusionszeiten 14

15 Gradueller pn-übergang: p-dotierter Bereich n-dotierter Bereich Breite W der Raumladungszone Verteilung der Dotierungsverunreinigungen und der Raumladung 15

16 Gradueller pn-übergang: p-dotierter Bereich n-dotierter Bereich 16 Verteilung des elektrischen Feldes und des Potenzials

17 Gradueller pn-übergang: p-dotierter Bereich n-dotierter Bereich Banddiagramm 17

18 Gradueller pn-übergang: Gradientenspannung V g in Abhängigkeit von dem Dotierungsgradienten (T = 300 K) V g ln ( c a) a: Dotierungsgradient [cm -4 ] GaAs c: Konstanten Si (incl. T) Ge 18

19 Gradueller pn-übergang: Breite und Kapazität der Verarmungszone in Abhängigkeit von dem Dotierungsgradienten (Silizium, 300 K) Bias: V g V = 0.1 V V g + V = 1.0 V V g + V = 10 V V g + V = 100 V 19

20 Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-übergangs: pn-übergang Diode Ideale Diodenkennlinie: - lineare Darstellung mit normierten Einheiten 20

21 Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-übergangs: pn-übergang Diode Ideale Diodenkennlinie: - halb-logarithmische Darstellung mit normierten Einheiten 21

22 Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-übergangs: Ideale Diode Shockley-Modell In Vorwärtsrichtung gepolt In Rückwärtsrichtung gepolt Energiebanddiagramm des pn-übergangs nach dem idealen Shockley-Modell 22

23 Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-übergangs: Ideale Diode Shockley-Modell In Vorwärtsrichtung gepolt In Rückwärtsrichtung gepolt Ladungsträgerkonzentrationen über den pn-übergang Nach dem idealen Shockley-Modell 23

24 Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-übergangs: pn-übergang Diode Reale Diodenkennlinie - halb-logarithmische Darstellung mit normierten Einheiten Deutliche Abweichungen zur idealen Kennlinie (sowohl in Vorwärts- als auch Rückwärtsrichtung) 24

25 Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-übergangs: Reale Diodenkennlinie Vorwärtsrichtung: Generations-Rekombinations-Ströme (a) Diffusionsströme (b) Injektionsströme (c) Serienwiderstand (d) Rückwärtsrichtung: 25 Rekombinations-Generations-Leckströme (e) Durchbruch: Lawinen- ("Avalanche"-) Durchbruch

26 Durchbruch des pn-übergangs: Lawinendurchbruch (einseitig abrupter pn-übergang) Durchbruchspannungen in Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration für Ge, Si, GaAs und GaP Oberhalb der gestrichelten Linie überwiegt Tunnel-Durchbruch (sehr hohe Dotierungskonzentrationen) 26

27 Durchbruch des pn-übergangs: Lawinendurchbruch ("linearly graded junction") Durchbruchspannungen in Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration für Ge, Si, GaAs und GaP Oberhalb der gestrichelten Linie überwiegt Tunnel-Durchbruch (sehr hohe Dotierungskonzentrationen) 27

28 Durchbruch des pn-übergangs: Lawinendurchbruch Vergleich: Einseitig abrupter pn-übergang und "linearly graded junction" Durchbruchspannungen Abrupter pn-übergang Konzentrationsgradienten Linearly Graded Junction 28

29 Durchbruch des pn-übergangs: Lawinendurchbruch (einseitig abrupter pn-übergang) Weite der Verarmungs- Zone beim Durchbruch Maximales Feld beim Durchbruch Ge, Si, GaAs, GaP Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration 29

30 Durchbruch des pn-übergangs: Lawinendurchbruch ("linearly graded junction") Weite der Verarmungs- Zone beim Durchbruch Maximales Feld beim Durchbruch Ge, Si, GaAs, GaP 30 Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration Konzentrationsgradienten

31 Durchbruch des pn-übergangs: Lawinendurchbruch Vergleich: Einseitig abrupter pn-übergang und "linearly graded junction Weite der RLZ, Feld beim Durchbruch Abrupter pn-übergang Linearly Graded Junction Konzentrationsgradienten 31

32 Durchbruch des pn-übergangs: Lawinendurchbruch (eindiffundierter pn-übergang) Durchbruchspannung bei einem diffundierten pn-übergang für verschiedene Dotierungsgradienten Flache Gradienten erlauben höhere Durchbruchspannungen bei höheren Dotierkonzentrationen Widerstand kann in Durchlassrichtung reduziert werden 32

33 Durchbruch des pn-übergangs: Lawinendurchbruch (einseitig abrupter pnn + -Übergang) Durchbruchspannungen für pnn + - Übergang Unterschiedliche Basisweiten w 33

34 Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen Halbleitertechnologie pin-dioden Bipolare Leistungstransistoren Thyristoren IGBT s Schottky-Dioden Leistungs-MOSFETs 34

35 35 Gliederung Pause

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