Leistungsbauelemente

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1 , apl. Prof. Dr. rer. nat. Fakultät für Mathematik und Informatik Fachgebiet Elektrotechnik und Informationstechnik ( ) D Hagen 1

2 Vorbemerkung Vorlesung Leistungsbaulemente Zweitägige kompakte Blockvorlesung aufgeteilt in insgesamt 10 Einheiten: I (21645) 5 Einheiten II (21646) 5 Einheiten Pflichtstudientage im Rahmen des Moduls Leistungselektronik und Antriebsregelung (LEAR) Kursnummer 21641,

3 Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen pn-übergänge Halbleitertechnologie pin-dioden Bipolare Leistungstransistoren Thyristoren IGBT s Schottky-Dioden Leistungs-MOSFETs Studientag 1 (Kurs-Nr ) Studientag 2 (Kurs-Nr ) 3

4 Literatur Literatur zur Halbleiterphysik, Halbleiterelektronik, zu Leistungsbaulementen und dem festkörperphysikalischen Hintergrund (kein Anspruch auf Vollständigkeit): Josef Lutz, Halbleiter- (Springer, 2006) S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (z. B. 2nd Edition, Wiley, 1981) Andreas Schlachetzki, Halbleiter-Elektronik (Teubner Studienbücher, 1990) Charles Kittel, Einführung in die Festkörperphysik (z. B. 5. oder 14. Aufl., Oldenbourg, 1980 / 2005) 4

5 Literatur Infineon Technologies (Herausgeber), Halbleiter (3. Aufl., Publicis Corporate Publishing, 2004) S. M. Sze, Modern Semiconductor Devices Physics (Wiley, 1998) V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999) B. J. Baliga, Modern Power Devices (Wiley, 1987) V. K. Khanna, IGBT - Theory and Design (IEEE Press, 2003) 5

6 II (Kurs-Nr ), apl. Prof. Dr. rer. nat. Fakultät für Mathematik und Informatik Fachgebiet Elektrotechnik und Informationstechnik ( ) D Hagen 6

7 Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen pn-übergänge Halbleitertechnologie pin-dioden Bipolare Leistungstransistoren Thyristoren IGBT s Schottky-Dioden Leistungs-MOSFETs 7

8 Bipolartransistor: Bipolare Leistungstransistoren 1947/48 von Bardeen, Brattain, Shockley erfunden (Physik-Nobelpreis 1956) Bipolartransistor als Bauelement der Leistungselektronik Strukturgrößen von 30 µm notwendig ab den 1970er-Jahren möglich Bipolartransistoren waren zeitweise das wichtigste Schaltelement der Leistungselektronik Ende der 1980er-Jahre wurden bipolare Leistungstransistoren in ihrer Bedeutung von den IGBTs abgelöst Heute: Neue Stromrichter werden nicht mehr mit bipolaren Transistorenausgerüstet Zukunft: Bipolare SiC-Transistoren??? 8 J. Lutz, (Springer, 2006)

9 Bipolare Leistungstransistoren: gute Treibereigenschaften Transistor als Schalter Abbildungen: oben: verschiedene Bauformen von diskreten Transistoren unten: Leistungstransistor gebondeter Chip (Größe ca mm 2 ) Kammartige Kontakte (oben: Basis, unten: Emitter) Kollektorstrom: ca. 10 A Wikipedia 9

10 Bipolare Leistungstransistoren Schematischer Aufbau (BJT: bipolar junction transistor, hier npn-bjt): Schichtfolge: n +, p, n, n + (E: Emitter, B: Basis, C: Kollektor) Leistungstransistoren: immer npn-schichtfolge (Spannungsbereiche 200 V) Spannungsbereich < 200 V auch pnp-schichtfolge 10 J. Lutz, (Springer, 2006)

11 Bipolare Leistungstransistoren Funktionsweise (I): Positive Spannung am Kollektor (C) BE-Diode in Durchlassrichtung BC-Diode gesperrt Schalter S offen: [e ] sehr klein in Basiszone Basis: p-dotierung cm -3 Basisschaltung Massenwirkungsgesetz: p n = 2 n i n p = ni / p cm 0 10 Spannung an C hoch, aber Transistor führt sehr geringen Strom Sperrzustand 11 J. Lutz, (Springer, 2006)

12 Bipolare Leistungstransistoren Funktionsweise (II): Schalter S geschlossen: Einspeisung eines positiven Stroms in die Basiszone Basis wird mit Elektronen überflutet dann: Emitterstrom durch BE-Diode wird größer & Hohes Elektronenkonzentrationsgefälle zur sperrenden BC-Diode Basisschaltung Elektronen diffundieren in die n -Zone und werden durch das Feld zum Kollektor beschleunigt Transistor führt großen Strom geöffneter Zustand 12 J. Lutz, (Springer, 2006)

13 Prinzipieller technologischer Querschnitt durch einen bipolaren Leistungstransistors (BJT): Schichtfolge: n +, p, n, n + (npn-bjt) (E: Emitter, B: Basis, C: Kollektor) Oxid (SiO 2 ) E Metallisierung B p n + C n Oxid (SiO 2 ) B 13 n + C Metallisierung V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999) E

14 Aufbau eines bipolare Leistungstransistors: Schichtfolge: n +, p, n, n + Emittergebiete meist streifenförmig angeordnet (Breite: typischerweise 200 µm) Basis- und Emitterbereiche greifen kammartig ineinander: Wikipedia Kollektorzone ist aufgeteilt in niedrig dotierte n -Zone (n -Zone Wafer) und hoch dotierte n + -Zone 14 J. Lutz, (Springer, 2006)

15 Dotierprofil eines 1200 V Leistungstransistors: Schichtfolge: n +, p, n, n + Dotierprofile entlang der Linie A-B Dreifach diffundierter (tripple diffused) Transistor Wafer-Substrat: n -dotiert 15 J. Lutz, (Springer, 2006)

16 Kennlinie des bipolaren Leistungstransistors: z. B. BUX 48A (Motorola) 16 aktiver Bereich: bei noch höheren Spannungen (nicht dargestellt) Strom bleibt bei gegebenem Basisstrom nahezu konstant J. Lutz, (Springer, 2006)

17 Dichte der freien Ladungsträger in einem bipolaren Leistungstransistor: Verteilung der freien Ladungsträger über den Transistor (Basisstrom variiert, Kollektorstrom konstant) Hoher Basisstrom und kleine Spannung U CE Sättigung Basis und n -Zone sind mit freien Ladungsträgern (n, p) überschwemmt 17 J. Lutz, (Springer, 2006)

18 Sperrverhalten des bipolaren Leistungstransistors: z. B. BUX 48A (Motorola) 18 J. Lutz, (Springer, 2006)

19 Sicherer Arbeitsbereich für Leistungstransistoren: Safe Operating Area (SOA) forwardbiasedsoa (FBSOA) reversed biased SOA (RBSOA) FBSOA für BUX 48 und BUX 48A (Motorola) 19 Motorola Inc. (1995)

20 Sicherer Arbeitsbereich für Leistungstransistoren: Safe Operating Area (SOA) forwardbiasedsoa (FBSOA) reversed biased SOA (RBSOA) RBSOA für BUX 48 und BUX 48A (Motorola) 20 J. Lutz, (Springer, 2006),

21 Darlington-Transistor / -Schaltung Darlington-Transistor oder Darlington-Schaltung: Kombination aus zwei oder mehr Bipolartransistoren Abbildungen: Schaltsymbol (npn-darlington-transistor) zwei- und dreistufige Darlington-Schaltung Chip mit Darlington-Schaltung Wikipedia Darlington-Transistor wird heute praktisch nicht mehr eingesetzt! 21

22 Grenzen der bipolaren Leistungstransistoren: Transistor (BJT) für hohe Spannungen niedrig dotierte Kollektorzone muss breit sein (Breite w C ) Transistorfunktion baut auf Diffusion der Löcher in n -Zone auf mit zunehmendem w C sinkt Stromverstärkung (z. B. BUX 48A von Motorola β = 10 nur bis I C = 10 A) Hoher Basisstrom notwendig großer Steueraufwand Basisstrom kann durch zwei- oder dreistufige Darlington- Transistoren auf akzeptable Werte reduziert werden (es waren Darlington-Transistoren bis zu 1400 V mit bis zu 100 A steuerbarem Strom pro Einzelchip erhältlich) Darlington-Transistoren keine hohen Schaltfrequenzen ( 5 khz, reichten für Motorsteuerungen) IGBT feldgesteuertes Bauelement verlustärmer und einfache Ansteuerung Aufgaben des BJT übernommen 22

23 Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen pn-übergänge Halbleitertechnologie pin-dioden Bipolare Leistungstransistoren Thyristoren IGBT s Schottky-Dioden Leistungs-MOSFETs 23

24 24 Gliederung Pause