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 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 Leistungsdioden Ungesteuerte Ventile für Leistungsgleichrichter: Abbildung: pin-leistungsdioden pin-leistungsdioden (Epi-Schicht) Schottky-Dioden (werden später behandelt) verschiedene Bauformen von Dioden oben: Leistungsdiode (Kathode = Gehäuse) unten: Brückengleichrichter mit - 2 Anschlüssen für Wechselspannung, - 2 Anschlüssen für "+" und " " Ausgang Wikipedia 4

5 Aufbau von pin-leistungsdioden: a) Epitaxialdiode b) Diffundierte Diode Oben: Schichtfolgen Unten: Dotierprofile w B w B 5 w B : Basisweite w B bzw. n -Zone bestimmen die Sperrspannung a) b) J. Lutz, (Springer, 2006)

6 Epitaxialdioden (Aufbau/Herstellung): Substrat: n + -dotiert Epitaktisch aufgewachsene n -Schicht Diffundierte p-zone Vorteile / Nachteile: Geringe Basisweite w B (einige µm) Ohmscher Widerstand bleibt im Durchlassbetrieb gering Einbringung von Rekombinations- Zentren schnelle Dioden Sperrspannungen nur 100 V 600 V (manche Hersteller: bis 1200 V) 6 J. Lutz, (Springer, 2006)

7 Prinzipieller Aufbau einer Leistungsdiode (pin-struktur): Schichtfolge: p +, p, n (i), n + (A: Anode, K: Kathode) Substratmaterial: Silizium (Si) Metallisierung A p + p n - Oxid (SiO 2 ) A 7 n + K Metallisierung V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999) K

8 Dotierprofil der pin-leistungsdiode: Schichtfolge: p +, p, n (i), n + (A: Anode, K: Kathode) A K 8 V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

9 Diffundierte pin-dioden (Aufbau/Herstellung): Substrat: n -dotiert Diffundierte n + -Zone Diffundierte p (+) -Zone Vorteile / Nachteile: Hohe Sperrspannungen 1200 V Waferdicke mit Dicke der Mittel- Zone verknüpft dünne Wafer notwendig Tiefe n - und p (+) -Zone erlauben Dickere Wafer Tiefe p (+) -Zone nachteiliges Reverse-Recovery-Verhalten 9 J. Lutz, (Springer, 2006)

10 Leistungsdioden (pin-struktur/epi-schicht) pin-leistungsdiode mit epitaktisch aufgewachsener Schicht für schnelle Schaltoperationen: Schichtfolge: p +, n (i), n + (A: Anode, K: Kathode) A p + Metallisierung Oxid (SiO 2 ) n epitaktische (epi-) Schicht 10 A K n + K Si-Substrat Metallisierung V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

11 Leistungsdioden (pin-struktur/epi-schicht) Dotierprofil der pin-leistungsdiode mit epi-schicht: Schichtfolge: p +, n (i), n + (A: Anode, K: Kathode) A K 11 V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

12 Kennlinie einer schnellen pin-diode (T = 25 C): Beachte Skalierungen! 12 U BD : U RRM : U F : U Fmax : I R, I RM : physikalische Durchbruchspannung maximal wiederholbare Spitzensperrspannung Spannungsabfall bei einem definierten Strom I F maximal zulässiger Spannungsabfall im zulässigen Betriebsbereich Sperrstrom und maximal zulässiger Sperrstrom J. Lutz, (Springer, 2006)

13 Kennlinien von pin-dioden: Diodenkennlinien sind stark temperaturabhängig!!! Wenn die Temperatur steigt, dann steigt der Sperrstrom I R (Ladungsträgergeneration) bei typischen oberen Betriebstemperaturen von 150 C bei Si-Leistungsdioden kann er um Zehnerpotenzen höher sein als bei Raumtemperatur sinkt die Schleusenspannung U D wegen n i in der Formel für U D (siehe folgende Folie) steigt die Sperrspannung entsprechend der Zunahme der Durchbruchspannung für den Lawinendurchbruch siehe übernächste Folie U D k T q N ln N n B A = 2 i D 13

14 Temperaturabhängigkeit der Durchlasskennlinien von schnellen pin-dioden: Mit Platin diffundierte Diode (aktive Fläche 0.32 cm 2 ) Diode mit strahlungsinduzierten Rekombinationszentren (aktive Fläche 0.32 cm 2 ) 14 J. Lutz, (Springer, 2006)

15 Temperaturabhängigkeit der Sperrspannung einer Diode: z. B. für die Sperrspannung eines pn-übergangs mit dreiecksförmigen Feldverlauf (Non-Punch-Through-Diode) 15 J. Lutz, (Springer, 2006)

16 Dimensionierung der pin-diode: a) b) c) a) Dreiecksförmiger Feldverlauf (RLZ reicht nicht in n + -Zone) Non-Punch-Through (NPT-) Diode b) Trapezförmiger Feldverlauf (RLZ reicht in n + -Zone rein) Punch-Through* (PT-) Diode * kein echter PT, da RLZ nicht in ein Gebiet mit anderer Dotierung reicht c) Grenzfall des rechteckigen Feldverlaufs 16 J. Lutz, (Springer, 2006)

17 Dimensionierung der pin-diode: PT-Dimensionierung RLZ dringt in n + -Zone ein (trapezförmiger Feldverlauf) E fällt in n + -Zone schnell ab Sperrspannung entspricht der Fläche unter der E(w)-Kurve PT-Diode höhere Sperrspannung als NPT-Diode (bei gleicher w B ) Analytisch (E 1 << E 0 ): (für Ableitung einer optimalen Dotierung nicht zulässig) Numerische Lösung: U U BD 8 q N = 3 C' = E + E 2 D BD w B w B 1 2 q N ε D w 2 B 17 J. Lutz, (Springer, 2006)

18 Dimensionierung der pin-diode: PT-Diode Sperrspannung in Abhängigkeit von der Grunddotierung mit w B = 85 µm Grenzwert für sehr niedrige Dotierung numerische Lösung der exakten Gleichung analytische Lösung der vereinfachten Gleichung (E 1 0) Maximum Maximum wegen Vernachlässigung von E 1 (E 1 << E 0 ) bei analytischer Lösung 18 J. Lutz, (Springer, 2006)

19 Dimensionierung der pin-diode: Mindestweite w B der Basis (n -Zone) NPT-Diode PT-Diode NPT-Diode dreiecksförmiger Feldverlauf PT-Diode trapezförmiger Feldverlauf 19 J. Lutz, (Springer, 2006)

20 Dimensionierung der pin-diode: Grenzfall für sehr niedrige n -Grunddotierung (N D 0) E 1 = E 0 Sperrspannung (Grenzfall): U BD Grenzfall 6 w B = C ' 1 6 Für N D cm -3 U BD U BD/Grenzfall ( letzte Folie) Mindestweite w B/Grenzfall (Grenzfall): w B Grenzfall = C' 1 6 U 7 6 BD 20 J. Lutz, (Springer, 2006)

21 Einschaltverhalten von Leistungsdioden: U FRM : Spannungsspitze beim Einschalten (FR: Forward-Recovery) I F U F : I F : t fr : Durchlassspannung Durchlassstrom Einschaltzeit 0.1 I F bis 1.1 U F t fr Steilheit des Einschaltstroms di/dt groß U FRM groß Niedriges U FRM sehr wichtig für Beschaltungsdioden (Beschaltung erst wirksam, wenn Diode eingeschaltet ist) U F 21 J. Lutz, (Springer, 2006)

22 Einschaltverhalten von Leistungsdioden: Standarddiode mit breiter Basisweite w B Soft-Recovery-Abschaltverhalten CAL-Diode (Controlled Axial Lifetime) schnelle Diode, w B möglichst niedrig gehalten 22 J. Lutz, (Springer, 2006)

23 Spannungsspitzen beim Einschalten von Leistungsdioden (Worst-Case-Szenario): U FRM als Funktion der spezifizierten Sperrspannung hohe Sperrspannung: N D klein, w B groß U FRM groß Worst-Case: di/dt = 23 U FRM = wb j q μ N D (Analytische Lösung) n y-achse: Logarithmische Skalierung!!! J. Lutz, (Springer, 2006)

24 Ausschaltverhalten von Leistungsdioden: Abschaltvorgang Übergang vom dem leitenden in den sperrenden Vorgang Beim Übergang von leitenden in sperrenden Zustand in der Diode gespeicherte Ladung muss abgebaut werden Einfachste Schaltung zur Messung des Abschaltverhaltens S: idealer Schalter I F : ideale Stromquelle U bat : ideale Spannungsquelle L: Induktivität 24 J. Lutz, (Springer, 2006)

25 Ausschaltverhalten von Leistungsdioden: Wichtige Parameter für das Ausschalt- (Recovery-) Verhalten: Temperatur i. d. R. sind hohe Temperaturen kritisch für das Ausschaltverhalten bei einigen schnellen Dioden: schlechtes Recovery- Verhalten bei Raumtemperatur und darunter Angelegte Spannung höhere Spannung schlechteres Recovery-Verhalten Höhe der Induktivität höheres L höhere Spannung an der Diode, deshalb schlechteres Recovery-Verhalten Kommutierungssteilheit di/dt Erhöhung von di/dt Gefahr von Oszillationen und Abriss des Rückstroms snappiges Verhalten 25

26 Ausschaltverhalten von Leistungsdioden: Stromverlauf für verschiedene Möglichkeiten für ein snappiges Reverse-Recovery-Verhalten Stromabrisse können zur Zerstörung der Diode führen 26 J. Lutz, (Springer, 2006)

27 Schaltverluste durch Leistungsdioden: Ausschaltverlustenergie der Diode: W off = t f t s u () t i() t dt Vereinfachte Abschätzung mit folgender Schaltung 27 J. Lutz, (Springer, 2006)

28 Schaltverluste durch Leistungsdioden: t rr Vereinfachte Strom-/Spannungsverläufe Schaltverlust proportional zu Q RR (Q RR : Speicherladung) W off 1 = I 2 = Q RR RRM U bat t rr U bat 28 J. Lutz, (Springer, 2006)

29 Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem Schaltverhalten: Dioden mit Dotierstufe in niedrige dotierter Zone Dioden mit Anodenstrukturierung zur Verbesserung des Abschaltverhaltens Merged pin-schottky-diode (MPS-Diode) Trench-Oxide-pin-Schottky-Diode (TOPS-Diode) CAL-Dioden EMCON-Dioden Hybrid-Dioden Tanden-Dioden MOS-gesteuerte Dioden etc. 29

30 Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem Schaltverhalten: Dotierungsstufe in n -Zone Um Faktor 5 10 höhere Dotierung Zwei-stufiger Epi- Prozess Dioden bis 600 V Spannung, die das Bauelement aufnehmen kann Fläche unter E(w) ( höher als bei dreieckigem Verlauf) Der Wert der Spannung, bei dem Stromabriss auftritt, wird zu höheren Werten verschoben J. Lutz, (Springer, 2006) 30

31 Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem Schaltverhalten: Anodenstrukturierung verbessertes Abschaltverhalten p-emitter zur Verbesserung des Soft-Recovery-Verhaltens a) Merged pin/schottky- (MPS-) Diode (Emitterstrukturierung) b) Durchgehend reduzierte p-dotierung hohe Emitter- Rekombination 31 J. Lutz, (Springer, 2006)

32 Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem Schaltverhalten: Kennlinie einer MPS-Diode mit 50 % Schottky-Fläche 32 J. Lutz, (Springer, 2006)

33 Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem Schaltverhalten: Trench-Oxide-pin-Schottky- (TOPS-) Diode 33 Weiterentwicklung der MPS-Diode Fläche v. Ladungsträger induzierenden Gebieten reduziert Ladungsträgerkonzentration am pn-übergang gesenkt Soft-Recovery-Verhalten J. Lutz, (Springer, 2006)

34 Schnelle Leistungsdioden mit optimiertem Schaltverhalten: CAL-Diode (Controlled Axial Lifetime) Rekombinationszentren mit kontrolliertem Tiefenprofil 34 Profil der Rekombinationszentren in der CAL-Diode J. Lutz, (Springer, 2006)

35 Hochspannungsdioden Neue Konzepte basierend auf vergrabenen Feld-Stop-Schichten: (Tiefe 150 μm, realisiert durch p+-bestrahlung) Vorteil: n -Schicht lagert kurzzeitig freie Ladungsträger während des Abschaltens "soft turn-off" anode anode anode p p p n - n - n - 35 conventional FS layer n n + cathode buried FS layer n n + cathode structured buried FS layer cathode H.-J. Schulze 1), M. Buzzo 2), F.-J. Niedernostheide 1), M. Rüb 2), H. Schulze 2), R. Job 3) 1) Infineon Technologies, Munich, Germany, 2) Infineon Technologies Austria, Villach, Austria 3) University of Hagen, Hagen, Germany, High-Purity-Silicon IX, Cancun, Mexico, 2006 n n + n

36 Leistungsdioden (pin-struktur/epi-schicht) Realer Aufbau einer pin-leistungsdiode epi-schicht: Schichtfolge: p +, n (i), n + (A: Anode, K: Kathode) Kantenabschrägung Kantenbeschichtung mit SiO 2 überhängende Kathodenmetallisierung Reduzierung der Leckströme über die Kanten 36

37 Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen pn-übergänge Halbleitertechnologie pin-dioden Bipolare Leistungstransistoren Thyristoren IGBT s Schottky-Dioden Leistungs-MOSFETs 37

38 Ende Das war s für heute! Hiermit ist der Studientag I (21645) abgeschlossen. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 38