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1 VII Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis...VII 1 Besonderheiten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente 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 Grundgleichungen...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

2 VIII Ionenimplantation...73 Oxidation und Maskierung...78 Randstrukturen...80 Passivierung...85 Rekombinationszentren Halbleiterbauelemente pin-dioden...93 Aufbau der pin-diode...93 Kennlinie der pin-diode...95 Dimensionierung der pin-diode...96 Durchlassverhalten Berechnung der Durchlass-Spannung Emitter-Rekombination und effektive Trägerlebensdauer Emitter-Rekombination und Durchlass-Spannung Temperaturabhängigkeit der Durchlasskennlinie Relation vom 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 Bipolartransistors Thyristoren Aufbau und Funktionsweise Kennlinie des Thyristors Sperrverhalten des Thyristors...198

3 IX Die Funktion von Emitter-Kurzschlüssen Zündarten des Thyristors Zündausbreitung Folgezündung Amplifying Gate Löschen des Thyristors und Freiwerdezeit 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 Superjunction-MOSFETs Schalteigenschaften des MOSFET Schaltverluste des MOSFET Sicherer Arbeitsbereich des MOSFET Die inverse Diode des MOSFET 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 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...285

4 X Eindimensionale Ersatzschaltbilder Dreidimensionales Netzwerk Der transiente thermische Widerstand 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 Der 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 Latch-up in IGBTs Kurzschlussverhalten von IGBTs 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...374

5 XI 7 Leistungselektronische Systeme Begriffsbestimmung und Merkmale Monolithisch integrierte Systeme - Power IC s Auf Leiterplattenbasis integrierte Systeme Hybride Integration Anhang A1 Beweglichkeiten in Silizium A2 Beweglichkeiten in 4H-SiC A3 Thermische Parameter wichtiger Materialien A4 Elektrische Parameter wichtiger Materialien A5 Verzeichnis häufig verwendeter Symbole Literaturverzeichnis Sachverzeichnis...415

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