Halbleiter-Leistungsbauelemente

Transkript

1

2 Halbleiter-Leistungsbauelemente

3 Josef Lutz Halbleiter- Leistungsbauelemente Physik, Eigenschaften, Zuverlässigkeit 2. Auflage In weiten Teilen aufbauend auf dem Manuskript einer Vorlesung von Heinrich Schlangenotto, gehalten an der Technischen Universität Darmstadt, sowie auf Arbeiten von Uwe Scheuermann.

4 Josef Lutz Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik TU Chemnitz Chemnitz Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, 2012 Die Bilder 2.1 und 2.3 wurden ganz oder teilweise entnommen aus Sze SM, Physics of Semiconductor Devices. John Wiley & Sons, New York Wiedergabe mit freundlicher Erlaubnis von John Wiley & Sons Ltd. Die Bilder 2.29, 2.30, 2.36, 3.45, 3.63, 3.84 und 3.86 wurden ganz oder teilweise entnommen aus Benda V, Govar J, Grant DA, Power Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, New York Wiedergabe mit freundlicher Erlaubnis von John Wiley & Sons Ltd. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

5 Vorbemerkung Die Halbleiter-Leistungsbauelemente sind das Kernstück der Leistungselektronik. Sie bestimmen die Leistungsfähigkeit, sie machen neuartige und verlustarme Schaltungen erst möglich. Da für deren Anwendung nicht nur die Vorgänge im Halbleiter, sondern auch die thermischen und mechanischen Eigenschaften wesentlich sind, beinhaltet dieses Buch über Halbleiter-Leistungsbauelemente auch die Grundlagen der Aufbau- und Verbindungstechnik. Neben Studenten richtet es sich auch an Ingenieure, die auf dem Gebiet der elektrischen Energietechnik tätig sind. Es soll ihnen ermöglichen, sich in die physikalischen Vorgänge in einem Leistungsbauelement einzuarbeiten, und die physikalischen Ursachen für die technischen Eigenschaften nachvollziehen zu können. Damit soll der Ingenieur oder künftige Ingenieur in die Lage versetzt werden, die Stärken und Schwächen des jeweiligen Bauelements zu beurteilen, richtig auszuwählen und das notwendige Umfeld zu beachten. Und weiterhin soll diese Arbeit auch ein Hilfsmittel für den Ingenieur sein, der ein Problem mit einem Bauelement hat. Der Praktiker in der Industrie mag bei der Arbeit mit dem Buch mit dem jeweiligen Bauelement beginnen. Bei der Behandlung der Bauelemente wird der Schwerpunkt auf die neuen Bauelemente wie MOSFETs, IGBTs, aber auch die unverzichtbaren schnellen Dioden gelegt. Bauelemente, deren technische Anwendung heute verdrängt wurde, werden kürzer behandelt. Bei jedem Bauelement gibt es einen einführenden Teil, der den Aufbau und die wichtigsten technischen Eigenschaften behandelt. Der Leser, der die Besonderheiten der Bauelemente nur kennen lernen will, kann sich mit diesen Abschnitten begnügen. Daran schließen sich Ausführungen an, bei denen die physikalischen Besonderheiten und Effekte vertieft behandelt werden. Bei der vertiefenden Behandlung der Besonderheiten wird dann auf die zu Grunde liegenden Vorgänge der Halbleiterphysik Bezug genommen, und zu einem tieferen Verständnis ist es notwendig, sich auch mit den ersten Kapiteln zu beschäftigen. Der Abschnitt zu den halbleiterphysikalischen Grundlagen behandelt die Vorgänge in den verschiedenen für Leistungsbauelemente interessanten Halbleitermaterien. Die vergleichende Behandlung und der Bezug auf die daraus resultierenden elektrischen Eigenschaften kann das Verständnis erleichtern. Zur Behandlung der wichtigen Problematik der V

6 VI Vorbemerkung Sperrfähigkeit wird der analytische Zusammenhang von Shields und Fulop benutzt, dieser wird im Folgenden für alle Halbleiterbauelemente einheitlich verwendet. Die Eigenschaften moderner Bauelemente sind wesentlich durch die Emitter bestimmt. Die auf Heinrich Schlangenotto zurückgehende Behandlung der Emittereigenschaften wird das erste Mal in einem Lehrbuch behandelt. Der Anwender begegnet den Leistungsbauelementen im gekapselten Zustand, heute werden zumeist Module eingesetzt. Hier spielen die thermischen und mechanischen Eigenschaften sowie die Zuverlässigkeit eine wichtige Rolle. Die Bauweise und Möglichkeiten leistungselektronischer Module werden ausführlich behandelt. Mit Integration weiterer passiver Komponenten, Sensorik, Auswerteschaltkreisen und Schutzmaßnahmen (der sog. Intelligenz ) wird aus dem Modul das leistungselektronische System. Die wichtigsten neuen Entwicklungstrends werden gewürdigt. Mit den Kapiteln über die Belastungsgrenzen und Ausfallursachen sowie den durch Bauelemente hervorgerufenen Schwingungseffekten wird der Leser Ausführungen vorfinden, die in anderen Lehrbüchern noch nicht behandelt sind. In der Praxis steht der Ingenieur oft vor dem Problem einer Fehlfunktion, und die Analyse der Fehlerursachen nimmt einen Teil seiner Arbeit in Anspruch. In diesem Abschnitt wird versucht, die eigenen langjährigen Erfahrungen in ein gewisses System zu bringen. Im ersten Teil Halbleiter-Leistungsbauelemente und ihre Physik baut diese Ausar beitung weitgehend auf dem Manuskript der Vorlesung Leistungshalbleiterbauelemente von Prof. Heinrich Schlangenotto, Daimler-Benz Forschungszentrum Frankfurt, gehalten an der TU Darmstadt, auf. Heinrich Schlangenotto hat sehr große Beiträge zum theoretischen Fundament für die heutigen modernen Leistungsbauelemente geleistet. Leider sind seine Arbeiten nur teilweise in der Fachliteratur zugänglich. Dieses Buch soll dazu beitragen, diese Herangehensweise und diese Erkenntnisse verfügbar zu machen. Schlangenottos grundlegende Arbeit wurde erweitert um die neuen Halbleitermaterialien und um die Physik neuer, in den letzten Jahren eingeführter oder wieder zu neuer Bedeutung gekommener Bauelemente. Bei der Behandlung von IGBTs und GTOs wurden einige Darstellungsweisen von Dr. Stefan Linder, ABB Semiconductors Ltd, aus seiner Vorlesung an der ETH Zürich übernommen. Die Abschnitte zur Aufbau- und Verbindungstechnik gehen auf Dr. Uwe Scheuermann Semikron Elektronik GmbH, Nürnberg, zurück. Ferner sind Beiträge und Anregungen von Dr. Werner Tursky eingegangen. Auf Dr. Reinhard Herzer, ebenfalls Semikron, geht die Behandlung der monolithischen Integration und der Power IC s zurück. Eine Reihe weiterer Spezialisten der Halbleiter-Leistungsbauelemente haben durch ihre Kommentare zu diesem Buch beigetragen, das sind insbesondere Dr. Anton Mauder, Dr. Thomas Laska, Dr. Soelkner und Dr. Ralf Siemieniec von Infineon. Herr Michael Reschke von Secos gab wertvolle Anregungen zum Kapitel Schottky-Dioden. Nicht zuletzt haben die Studenten der Vorlesung Leistungsbauelemente an der TU Chemnitz Einfluss auf dieses Buch genommen. Insbesondere Hans-Peter Felsl, Birk Heinze, Roman Ba-

7 Vorbemerkung VII burske, Marco Bohlländer und Mathias Baumann gilt Dank für die kritische Durchsicht des Scripts, für ihre Anregungen bezüglich Verständlichkeit und für die Mithilfe bei der Gestaltung. Chemnitz, im März 2006 Josef Lutz

8 Vorbemerkung zur zweiten deutschen Auflage Inzwischen ist 2011 dieses Buch auf Englisch erschienen. Bei der englischen Ausgabe sind Heiner Schlangenotto, Uwe Scheuermann und Rik De Doncker Mitautoren. Die englische Version wurde in den Abschnitten zur Halbleiterphysik von Heiner Schlangenotto überarbeitet und wesentlich erweitert. Zur tiefgehenden Einarbeitung in die Physik der Halbleiter-Leistungsbauelemente wird die englische Ausgabe empfohlen. Auf eine Rückübersetzung dieser Abschnitte ins Deutsche wurde in dieser zweiten deutschen Auflage verzichtet, denn der Bauelement-Spezialist ist Englisch gewohnt. Die zweite deutsche Auflage hat ihre Berechtigung, denn die kompakte Darstellung hat sich für Studenten und Ingenieure als gutes Hilfsmittel zur Einarbeitung bewährt. Die Bearbeitung der zweiten Auflage konzentrierte sich auf die Korrektur von Schreibfehlern, auf exaktere Darstellung an einzelnen Punkten und auf die Erweiterung um neue Bauelemente und Erkenntnisse, die seit 2006 dazugekommen sind. Dies betrifft insbesondere einige Darstellungen zu SiC, zu neuen SiC Bauelementen und zum Kurzschlussverhalten von IGBTs. Für die kritische Durchsicht des Manuskripts der 2. Auflage bedanke ich mich bei Thomas Basler, Susanne Fichtner und Uwe Scheuermann. Ich bedanke mich auch an dieser Stelle bei allen Lesern, die mir Hinweise auf Verbesserungen gegeben haben, insbesondere auch bei meinen Studenten der Vorlesung Bauelemente der Leistungselektronik. Chemnitz, im Februar 2012 Josef Lutz IX

9 Inhaltsverzeichnis 1 Besonderheiten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente 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 XI

10 XII Inhaltsverzeichnis 3 Halbleiterbauelemente pin-dioden Aufbau der pin-diode Kennlinie der pin-diode Dimensionierung der pin-diode Durchlassverhalten Berechnung der Durchlassspannung 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

11 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

12 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

13 Inhaltsverzeichnis XV 7.3 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 Bibliography Sachverzeichnis

14 Verzeichnis häufig verwendeter Symbole Größe Einheit Beschreibung A cm 2 Fläche b Fulop-Exponent (= 7 in Si bei 300 K) c n,p cm 3 s 1 Einfangkoeffizient der Elektronen bzw. Löcher c An,p cm 3 s 1 Auger-Einfangkoeff der Elektronen/Löcher C As/V Kapazität C j As/V Sperrschichtkapazität C cm 6 V 7 Fulop-Konstante (= 1, in Si bei 300 K) D cm 2 /s Diffusionskonstante D A cm 2 /s Ambipolare Diffusionskonstante D n,p cm 2 /s Diffusionskonst. von Elektronen bzw. Löchern e n,p s 1 Emissionsraten von Elektronen bzw. Löchern E V/cm Elektrisches Feld E BD V/cm Elektrisches Feld beim Lawinendurchbruch F statistische Verteilungsfunktion g n,p cm 3 s 1 therm. Generationsraten von Elektronen/Löchern G n,p cm 3 s 1 Netto-Generationsraten v. Elektronen/Löchern G av cm 3 s 1 Avalanche-Generationsrate h n,p cm 4 s 1 Emitterparameter des n bzw. p-emitters I A Strom I C A Kollektorstrom I D A Drainstrom I E A Emitterstrom I F A Strom in Vorwärtsrichtung der Diode I R A Strom in Sperrrichtung I RRM A Rückstrom-Maximum I S A Strom durch die softe Teildiode XVII

15 XVIII Verzeichnis häufig verwendeter Symbole j A/cm² Stromdichte j n,p A/cm² Stromdichte des Elektronen- bzw. Löcherstroms j s A/cm² Sättigungsstromdichte k J/K Boltzmann-Konstante (1, ) L H Induktivität L par H parasitäre Induktivität L A cm Ambipolare Diffusionslänge L DB cm Debye-Länge L n,p cm Diffusionslänge von Elektronen/Löchern n,p cm 3 Dichte freier Elektronen bzw. Löcher n 0,p 0 cm 3 Dichte im thermodynamischen Gleichgewicht n *,p * cm 3 Dichte der Minoritätsladungsträger n L,p L cm 3 Dichte am linken Rand der überfluteten Zone n R,p R cm 3 Dichte am rechten Rand der überfluteten Zone n i cm 3 intrinsische Ladungsträgerdichte n av cm 3 Dichte durch Avalanche generierter Elektronen N A cm 3 Konzentration an Akzeptoren N C cm 3 Zustandsdichte am Leitungsband N D cm 3 Konzentration an Donatoren N eff cm 3 Effektive Konzentration N T cm -3 Konzentration tiefer Zentren N T+,N T cm 3 Konz. positiv/negativ geladener tiefer Zentren N V cm 3 Zustandsdichte am Valenzband q As Elementarladung (1, ) Q As Ladung Q F As den Strom tragende Ladung im bip. Bauelement Q RR As gemessene Speicherladung der Diode r n,p cm 3 s 1 therm. Rekombinationsraten v. Elektronen/Löchern R n,p cm 3 s 1 Netto-Rekombinationsraten v. Elektronen/Löchern R cm 3 s 1 Netto-Rekombinationsrate R Ohm Widerstand R off Ohm Ausschalt-Widerstand des Schalters R on Ohm Einschalt-Widerstand des Schalters R pr cm projizierte Reichweite s Soft-Faktor einer Diode S cm 2 Flächenbelegung