Aktuelle Entwicklungen bei Si - Leistungsdioden
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- Imke Schneider
- vor 7 Jahren
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Transkript
1 ETG-Fachtagung Bauelemente der Leistungselektronik und ihre Anwendungen Aktuelle Entwicklungen bei Si - Leistungsdioden Josef Lutz, Technische Universität Chemnitz Anton Mauder, Infineon Technologies München Martin Domeij, KTH Stockholm 1. Das Reverse-Recovery-Verhalten 2. Trade-off Durchlass-Spannung Schalteigenschaften 3. Hybride Optimierung schneller Dioden 4. Superjunction - Lösung für schnelle Dioden? 5. Dynamische Robustheit 6. Ausblick
2 Reverse-Recovery-Verhalten V R V 400 V -50 A A Diodenstrom simuliert Diodenstrom gemessen V A IDiode [A] B C D E F CAL-HD-Diode, 1Chip 125 C, 200ns/div Semikron-Messung I ,2 50,3 50,4 50,5 50,6 50,7 50,8 50,9 51,0 t [µs] EMCON-HE-Diode, 2 Chips parallel 25 C, 100ns/div Infineon-Messung
3 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) p n - n + 1,4E+05 7,0E+16 1,2E+05 6,0E+16 gemessen 125 C Feldstärke [V/cm] 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 4,0E+04 simuliert 25 C gemessen 25 C 5,0E+16 4,0E+16 3,0E+16 2,0E+16 Löcherkonzentration [cm -3 ] 2,0E+04 1,0E Weite [µm] Vertikale Verteilung der freien Löcher im Durchlass-Zustand
4 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) 2,0E+05 5,0E+16 1,8E+05 1,6E ns 4,5E+16 4,0E+16 Feldstärke [V/cm] 1,4E+05 1,2E+05 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 3,5E+16 3,0E+16 2,5E+16 2,0E+16 1,5E+16 Löcherkonzentration [cm -3 ] 4,0E+04 1,0E+16 2,0E+04 5,0E Weite [µm]
5 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) 2,0E+05 5,0E+16 1,8E+05 1,6E ns 4,5E+16 4,0E+16 Feldstärke [V/cm] 1,4E+05 1,2E+05 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 3,5E+16 3,0E+16 2,5E+16 2,0E+16 1,5E+16 Löcherkonzentration [cm -3 ] 4,0E+04 1,0E+16 2,0E+04 5,0E Weite [µm]
6 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) 2,0E+05 5,0E+16 1,8E+05 1,6E ns 4,5E+16 4,0E+16 Feldstärke [V/cm] 1,4E+05 1,2E+05 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 3,5E+16 3,0E+16 2,5E+16 2,0E+16 1,5E+16 Löcherkonzentration [cm -3 ] 4,0E+04 1,0E+16 2,0E+04 5,0E Weite [µm]
7 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) 2,0E+05 5,0E+16 1,8E+05 1,6E ns 4,5E+16 4,0E+16 Feldstärke [V/cm] 1,4E+05 1,2E+05 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 3,5E+16 3,0E+16 2,5E+16 2,0E+16 1,5E+16 Löcherkonzentration [cm -3 ] 4,0E+04 1,0E+16 2,0E+04 5,0E Weite [µm]
8 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) 2,0E+05 5,0E+16 1,8E+05 1,6E ns 4,5E+16 4,0E+16 Feldstärke [V/cm] 1,4E+05 1,2E+05 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 3,5E+16 3,0E+16 2,5E+16 2,0E+16 1,5E+16 Löcherkonzentration [cm -3 ] 4,0E+04 1,0E+16 2,0E+04 5,0E Weite [µm]
9 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) 2,0E+05 5,0E+16 1,8E+05 1,6E ns 4,5E+16 4,0E+16 Feldstärke [V/cm] 1,4E+05 1,2E+05 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 3,5E+16 3,0E+16 2,5E+16 2,0E+16 1,5E+16 Löcherkonzentration [cm -3 ] 4,0E+04 1,0E+16 2,0E+04 5,0E Weite [µm]
10 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) 2,0E+05 5,0E+16 1,8E+05 1,6E ns 4,5E+16 4,0E+16 Feldstärke [V/cm] 1,4E+05 1,2E+05 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 3,5E+16 3,0E+16 2,5E+16 2,0E+16 1,5E+16 Löcherkonzentration [cm -3 ] 4,0E+04 1,0E+16 2,0E+04 5,0E Weite [µm]
11 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) 2,0E+05 5,0E+16 1,8E+05 1,6E ns 4,5E+16 4,0E+16 Feldstärke [V/cm] 1,4E+05 1,2E+05 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 3,5E+16 3,0E+16 2,5E+16 2,0E+16 1,5E+16 Löcherkonzentration [cm -3 ] 4,0E+04 1,0E+16 2,0E+04 5,0E Weite [µm]
12 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) 2,0E+05 5,0E+16 1,8E+05 1,6E ns 4,5E+16 4,0E+16 Feldstärke [V/cm] 1,4E+05 1,2E+05 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 3,5E+16 3,0E+16 2,5E+16 2,0E+16 1,5E+16 Löcherkonzentration [cm -3 ] 4,0E+04 1,0E+16 2,0E+04 5,0E Weite [µm]
13 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) 2,0E+05 5,0E+16 1,8E+05 1,6E ns 4,5E+16 4,0E+16 Feldstärke [V/cm] 1,4E+05 1,2E+05 1,0E+05 8,0E+04 6,0E+04 3,5E+16 3,0E+16 2,5E+16 2,0E+16 1,5E+16 Löcherkonzentration [cm -3 ] 4,0E+04 1,0E+16 2,0E+04 5,0E Weite [µm]
14 Soft-Recovery-Verhalten: Lösungskonzepte axiales Profil der Trägerlebensdauer reduzierter p-emitterwirkungsgrad 1E+16 1E+15 Rekombinationszentren- Peak N,N A D Nrek [cm-3] 1E+14 Basis- Rekombinationszentrendichte p n - n + 1E x [µm] a) Emitter reduzierter integraler Belegung, homogen: EMCON-HE-Diode (Infineon) p n - CAL - Controlled Axial Lifetime Semikron ABB Eupec (bis 9kV, 2kA) Mitshubishi p+ p+ Schottky- Übergang b) Emitter reduzierter integraler Belegung durch Strukturen: MPS-Merged Schottky pin Diode, TOPS-Diode (Fuji,...) n -
15 Trench Oxide PiN Schottky (TOPS) Diode Trenches Struktur der TOPS-Diode Vertikale Verteilung der freien Löcher im Durchlass-Zustand Bilder von M. Nemoto, Fuji Electronics
16 Kritische Bedingungen für das Soft-Recovery-Verhalten VR hohe Zwischenkreisspannung hohe Kommutierungssteilheit di/dt niedriger Strom herab zu 1% des Nennstroms 600 V 400 V 200 V 1 A 0-40 A -20 A 0 I CAL HD Diode 7,8 x 7,8 mm (100A) I F =1 A, V R =600 V, di/dt=2600 A/µs, 125 C
17 Trade-off Durchlass-Spannung Schalteigenschaften I (A) C CAL HD 100 CAL 80 RT RT C U(mV) Q RR [µc] CAL Em con HE ,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 V F (125 C,75A) [V] Durchlass-Spannung, temperaturabhängig, für CAL-Dioden Relation Durchlass-Spannung und Speicherladung bei CAL und Emcon HE. Aktive Fläche jeweils 44mm². Man scheint sich der physikalischen Grenze des aus Si Machbaren anzunähern
18 Hybride Optimierung von schnellen Dioden Reihenschaltung: Tandem- Diode Q F = I F U Ohm χ 2 ( µ + µ ) n p U 7 3 BD 1000,00 Single Tandem QF [nc] 100,00 Hochsetzsteller mit Tandem- Diode 10,00 I F = 10A U F [V] 600V-Diode im Vergleich zu zwei 300V- Dioden in Reihe (Tandem-Diode)
19 Hybride Optimierung von schnellen Dioden Parallelschaltung: Hybrid-Diode punch-through-diode: soft-recovery-diode: I w B so klein wie möglich kleinstmögliches U F trägt 80-90% des Stroms snappiges Schaltverhalten w B Faktor 2 größer τ größer 10-20% der Fläche soft-recovery-verhalten I S I E p w S n - n + p n - n + w E soft-recovery Diode punch- through Diode soft-recovery U F ~ 1V
20 Superjunction - Lösung für schnelle Dioden? Schottky-Kontakt MPS-Diode mit Superjunction Sehr snappiges Schaltverhalten - als Freilaufdiode unbrauchbar Simulation: E. Napoli / Universität Neapel
21 Dynamische Robustheit = die Fähigkeit der Diode, hohen Zwischenkreisspannungen und hohen Kommutierungssteilheiten gewachsen zu sein Umso kritischer, je höher die Sperrspannung
22 Dynamischer Avalanche Spannung dynamischer Avalanche der ersten Art U [V] (Schlangenotto 1989) Stromdichte in Rückwärtsrichtung (A/cm²) N N N eff = D + eff = N D p Die generierten Elektronen fliessen durch die Raumladungszone + p n av selbst-stabilisierend
23 Dynamischer Avalanche Spannung dynamischer Avalanche der zweiten Art (Oetjen/Sittig 2000) schwach negative I-U-Kennlinie, Bildung von Filamenten, aber nicht zwangsläufig zerstörend Electric field (V/cm) A/cm A/cm Position (um) Current density (A/cm 2 ) A/cm A/cm Voltage (V) sofern keine Schwachpunkte im Bauelement-Design vorliegen
24 Dynamischer Avalanche Spannung dynamischer Avalanche der dritten Art (Domeij / Lutz / Silber 2001) Stromdichte Elektrisches Feld Bauelement-Simulation 2400V 3000A/µs, Ausschnitt Electric field (V/cm) Elektrisches Feld x=3200 x=6000 x=3200 x= Y position (microns) Fast der ganze Strom fließt im Filament Hängematten-förmiger Verlauf des Elektrischen Felds Avalanche von beiden Seiten kann auftreten, wenn der nn + - Übergang frei wird, während am pn-übergang noch dynamischer Avalanche vorliegt
25 Dynamischer Avalanche der dritten Art A 0 A 100 A Strom -360 A Messbedingungen: di/dt = 3300A/µs T = 125 C V pk Spannung Zeit (100 ns per div) 2000 V 1000 V 0 V V pk (V) Standard Design Simulation Verändertes Design Simulation Stromdichte bei der Rückstromspitze (A/cm 2 ) Ausfall einer 3300V-CAL-Diode während extrem hoher Belastung Simulation: Ausfallgrenze 100kV/cm am nn + - Übergang Simulation gibt den Trend der experimentellen Ergebnisse richtig wieder
26 Ausblick Das Reverse-Recovery-Verhalten wird beherrscht U F -Q RR -Trade-Off: Anzeichen, daß man sich auf die Grenze des aus Si physikalisch Möglichen zubewegt. Noch Potenzial bei hybriden Optimierungen Das Problem des dynamischen Avalanche in Silizium wird besser verstanden. Wir können robuste Bauelemente auch für sehr hohe Spannungen erwarten
27 Danksagung Hr. Martin Knecht (eupec) Frau Dr. Beate Steck (Infineon) Dr. A. Lindemann (IXYS) Dr. K.H. Häupl und Dr. B. König (Semikron)
28
29 Vorgang in der Soft-Recovery-Diode (Emcon-Diode) 5,0E+16 p n - n + 4,5E+16 A simulierte Löcherkonzentration [cm-3] 4,0E+16 3,5E+16 3,0E+16 B 2,5E+16 2,0E+16 C 1,5E+16 A D 1,0E+16 B 5,0E+15 C E pn-übergang Weite [µm] Vertikale Verteilung der freien Löcher
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