Hausaufgaben zum Praktikum Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik

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1 Hausaufgaben zum Praktikum Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik Die folgenden Aufgaben dienen der Vorbereitung auf das Praktikum Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik. Bitte bearbeiten Sie die Fragen sorgfältig BEVOR das Praktikum beginnt. Ihre Antworten werden nicht vom Betreuer eingesammelt oder benotet. Allerdings ist das hier abgefragte Wissen Voraussetzung zur sinnvollen Interpretation der Messergebnisse und kann Prüfungsinhalt sein. Pn-Übergang 1) Erklären Sie das Drift-Diffusions-Modell des pn-übergangs im thermischen Gleichgewicht. Verwenden Sie zur Erklärung auch das 1. Ficksche Gesetz. 2) Warum baut sich eine Diffusionsspannung auf und wie kann sie berechnet werden? Welcher Wert ist für Silizium typisch? 3) Zeichnen Sie für einen abrupten pn-übergang die Ortsverläufe im thermischen Gleichgewicht a. der Raumladungsdichte (skaliert: ρ q ; Zeichnen Sie N A und N D ein.) b. des elektrischen Feldes E c. der Spannung U (Markieren Sie die Diffusionsspannung U D.). Kennzeichnen Sie in den Diagrammen p- und n-gebiet. Aus welchen Gleichungen lassen sich E und U aus ρ berechnen? 4) Erläutern Sie die Vorgänge am pn-übergang in Fluss- und in Sperrrichtung. 5) Was beschreibt die Shockley-Gleichung und wie lautet Sie? Skizzieren Sie die Strom- Spannungs-Charakteristik, die damit beschrieben wird. Pin Dioden, BJT, MOSFET und IGBT 1) Wie ist eine pin-diode aufgebaut und wozu dient die zusätzliche niedrigdotierte Schicht? Zeichnen Sie ein exemplarisches Dotierprofil. 2) Erklären Sie den Lawinendurchbruch eines Halbleiterbauelements. 3) Erklären Sie den thermischen Durchbruch eines Halbleiterbauelements. 4) Wie hängt die Durchbruchspannung einer pin Diode von der Temperatur ab? Nutzen Sie dazu Abbildung 1 und erklären Sie den Effekt. TEP Praktikum Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik Seite 1

2 Abbildung 1 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.107) 5) Erklären Sie Aufbau und Funktionsweise eines Bipolartransistors. 6) Erklären Sie die Funktionsweise eines MOSFETs anhand einer der beiden Strukturen in Abb. 2. Welches der beiden Bauteile ist ein Power-MOSFET, welcher ein Signal-MOSFET? Begründen Sie. Abbildung 2 TEP Praktikum Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik Seite 2

3 7) Was ist die Body-Diode eines MOSFETs und wo befindet sie sich? 8) Erklären Sie den Aufbau und die Funktionsweise eines IGBTs. Grundlagen 1) Erläutern Sie den in Abbildung. 3 schematisch dargestellten Zusammenhang. Nehmen Sie besonders Bezug auf die vier eingezeichneten Bereiche. Abbildung 3 (Quelle: wikipedia) TEP Praktikum Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik Seite 3

4 2) In Abbildung 4 ist die intrinsische Ladungsträgerdichte gegen die invers skalierte Temperatur aufgetragen. Erläutern Sie den dargestellten Zusammenhang und ermitteln Sie die Koeffizienten a und b der Gleichung n i = a exp ( b ) für Silizium. Überprüfen Sie die T Größenordnung von b indem Sie die Gleichung n i = N C N V exp ( E g 2kT ) anwenden. Abbildung 4 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.19) TEP Praktikum Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik Seite 4

5 3) Die Beweglichkeit von Ladungsträgern hängt von zahlreichen Faktoren ab. Wie ist die Beweglichkeit µ definiert? Erläutern Sie die abgebildeten Diagramme (Abbildung 5 und 6). Leiten Sie anhand der drei folgenden Gleichungen her, wie µ grundsätzlich von T, N I und m* abhängt. Bestätigt das Ergebnis die grundsätzlichen Aussagen der Diagramme? μ l ~ m 5 2T 3 2 μ i ~m 1 2N I 1 T 3 2 μ = ( ) μ l μ i µ Beweglichkeit µ i Beweglichkeitsanteil durch ionisierte Dotieratome µ l Beweglichkeitsanteil durch akustischer Phononen m * Effektive Masse der Ladungsträger T Temperatur Dichte der ionisierten Dotieratome N I (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.28) Abbildung 5 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.29) Abbildung 6 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.30) TEP Praktikum Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik Seite 5

6 4) a) In Abbildung 7 (oben) ist die Driftgeschwindigkeit gegen das elektrische Feld aufgetragen. Welche Aussagen zur Beweglichkeit lassen sich hieraus für Silizium ablesen? b) Wie verhält sich die Sättigungsgeschwindigkeit bei steigender Temperatur und warum? (Abbildung 7, unten) Abbildung 7 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.46) TEP Praktikum Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik Seite 6

7 5) Wie sind die Diffusionskonstanten von Löchern und Elektronen definiert (Einstein Relation)? Wie verhält sich die Diffusionskonstante bei steigender Temperatur? (Beachten Sie die Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeiten). Welcher Ladungsträgertyp diffundiert stärker? 6) Was sagt die Gleichung j = q(nμ n + pμ p ) aus? Wie ist die spezifische Leitfähigkeit definiert? 7) Erläutern Sie die Zusammenhänge zwischen Ionisierungsrate von Elektronen, elektrischem Feld und Temperatur anhand des Diagramms in Abbildung 8. Abbildung 8 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.49) TEP Praktikum Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik Seite 7