Drohaflttsveirzeklhiinifls

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1 Drohaflttsveirzeklhiinifls 1 Besonderheiten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente 1 2 Halbleiterphysikalische Grundlagen Eigenschaften der Halbleiter, physikalische Grundlagen Kristallgitter Bandstruktur und Ladungsträger Der dotierte Halbleiter Majoritätsträger und Minoritätsträger Beweglichkeiten! Driftgeschwindigkeit bei hohen Feldern Diffusion freier Ladungsträger Generation, Rekombination und Trägerlebensdauer Stoßionisation Grundgleichungen der Halbleiter-Bauelemente Erweiterte Grundgleichungen Neutralität pn-übergänge Der stromlose pn-übergang Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-übergangs Sperrverhalten des pn-übergangs Der pn-übergang als Emitter Kurzer Exkurs in die Herstellungstechnologie Kristallzucht Neutronendotierung zur Einstellung der Grunddotierung Epitaxie Diffusion Ionenimplantation Oxidation und Maskierung Randstrukturen Passivierung Rekombinationszentren 74 XI

2 XII Inhaltsverzeichnis 3 Halbleiterbauelemente pin-dioden Aufbau der pin-diode Kennlinie der pin-diode Dimensionierung der pin-diode Durchlassverhalten Berechnung der Durchlassspannung 91 '3.1.6 Emitter-Rekombination und effektive Trägerlebensdauer Emitter-Rekombination und Durchlassspannung Temperaturabhängigkeit der Durchlasskennlinie Relation von gespeicherter Ladung und Durchlassspannung Einschaltverhalten von Leistungsdioden Definitionen zum Ausschaltverhalten von Leistungsdioden Durch Leistungsdioden erzeugte Schaltverluste Vorgang beim Abschalten von Leistungsdioden Moderne schnelle Dioden mit optimiertem Schaltverhalten MOS-gesteuerte Dioden Ausblick Schottky-Dioden Zur Physik des Metall-Halbleiter-Übergangs Kennliniengleichung des Schottky-Übergangs Aufbau von Schottky-Dioden Ohm'scher Spannungsabfall des unipolaren Bauelements Schottky-Dioden aus SiC Bipolare Transistoren Funktionsweise des Bipolartransistors Aufbau des Leistungstransistors Kennlinie des Leistungstransistors Sperrverhalten des Leistungstransistors Stromverstärkung des Bipolartransistors Basisaufweitung, Feldumverteilung und zweiter Durchbruch Grenzen des Silizium-Bipolartransistors SiC Bipolartransistoren Thyristoren Aufbau und Funktionsweise Kennlinie des Thyristors Sperrverhalten des Thyristors Die Funktion von Emitterkurzschlüssen Zündarten des Thyristors Zündausbreitung Folgezündung - Amplifying Gate Löschen des Thyristors und Freiwerdezeit 180

3 Inhaltsverzeichnis XIII Der Triac Der abschaltbare Thyristor (GTO) Der Gate Commutated Thyristor (GCT) MOS Transistoren Funktionsweise des MOSFET Aufbau von Leistungs-MOSFETs Kennlinienfeld des MOS-Transistors Kennliniengleichung des MOSFET-Kanals Der Ohm'sche Bereich Kompensationsstrukturen in modernen MOSFETs Schalteigenschaften des MOSFET Schaltverluste des MOSFET Sicherer Arbeitsbereich des MOSFET Die inverse Diode des MOSFET SiC Feldeffektbauelemente Ausblick IGBTs Funktionsweise Die Kennlinie des IGBT Das Schaltverhalten des IGBT Die Grundtypen PT-IGBT und NPT-IGBT Ladungsträgerverteilung im IGBT Erhöhte Ladungsträgerinjektion in modernen IGBTs Die Wirkung der Löcherbarriere" Kollektorseitige Buffer-Schichten Der beidseitig sperrfähige IGBT Der bidirektional leitende IGBT Ausblick Aufbau-und Verbindungstechnik von Leistungsbauelementen Problematik der Aufbau-und Verbindungstechnik Gehäuseformen Scheibenzellen Die TO-Familie und ihre Verwandten Module Physikalische Eigenschaften der Materialien Thermisches Ersatzschaltbild und thermische Simulation Transformation zwischen thermodynamischen und elektrischen Größen Eindimensionale Ersatzschaltbilder Dreidimensionales Netzwerk Der transiente thermische Widerstand 260

4 XIV Inhaltsverzeichnis 4.5 Parasitäre elektrische Elemente in Leistungsmodulen Parasitäre Widerstände Parasitäre Induktivitäten Parasitäre Kapazitäten Zuverlässigkeit Anforderungen an die Zuverlässigkeit Heißsperrdauertest und Gate-Stress-Test Heißlagerung, Tieftemperaturlagerung Sperrtest bei feuchter Wärme Temperaturwechseltest Lastwechseltest Ausblick Zerstörungsmechanismen in Leistungsbauelementen Thermischer Durchbruch - Ausfälle durch Übertemperatur Überschreiten der Sperrfähigkeit Stoßstrom Dynamischer Avalanche Dynamischer Avalanche in bipolaren Bauelementen Dynamischer Avalanche in schnellen Dioden Überschreiten des abschaltbaren Stroms in GTOs Kurzschluss und Überstrom in IGBTs Kurzschluss I, II and III Thermische und elektrische Belastung im Kurzschluss Abschalten von Überströmen und dynamischer Avalanche Ausfälle durch Höhenstrahlung Ausfallanalyse Durch Bauelemente verursachte Schwingungseffekte und elektromagnetische Störungen Schaltungs- und bauelementbedingte Schwingungseffekte Frequenzbereich elektromagnetischer Störungen Oberschwingungen bzw. Harmonische LC-Schwingungen Abschalt-Oszillationen bei parallel geschalteten IGBTs Abschalt-Oszillationen bei snappigen Dioden Trägerlaufzeit-Oszillationen Plasma Extraction Transit Time (PETT) Oszillationen Impact Ionisation Transit Time (IMPATT) Oszillationen Leistungselektronische Systeme Begriffsbestimmung und Merkmale Monolithisch integrierte Systeme - Power IC's 347

5 Inhaltsverzeichnis XV 7.3 Auf Leiterplattenbasis integrierte Systeme Hybride Integration 353 Anhang 361 AI Beweglichkeiten in Silizium 361 A2 Beweglichkeiten in 4H-SiC 362 A3 Thermische Parameter wichtiger Materialien 363 A4 Elektrische Parameter wichtiger Materialien 364 Bibliography 365 Sachverzeichnis 377