Leistungsbauelemente

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1 II (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 Schottky-Dioden: Unipolare Bauelemente für Stromtransport steht nur eine Sorte von Ladungsträgern zur Verfügung Legt man Schottky-Dioden auf hohe Spannungen aus, nimmt der Widerstand der niedrig dotierten Mittelzone stark zu Schottky-Dioden haben wieder hohe Bedeutung erlangt 3 Schottky-Diode aus Silizium: im Spannungsbereich bis 100 V Freilaufdioden für MOSFETS niedrige Schleusenspannung keine Speicherladungen vorhanden für hohe Schaltfrequenzen geeignet Schottky-Dioden aus Wide-Band-Gap-Materialien (SiC) höherer Spannungsbereich möglich niedrige Schleusenspannung (geringe Verluste)

4 Schottky-Dioden (Mechanismus): Physik des Metall-Halbleiter-Übergangs a) Schottky-Übergang b) Ohm scher Übergang 4 Φ M, Φ S : Austrittsarbeit des Metalls / des Halbleiters Schottky-Übergang: Φ M > Φ S Elektronen verlassen den Metall-Halbleiter-Kontakt Bildung e. Verarmungszone Ohm scher Übergang: Φ S > Φ M Barriere wird abgesenkt Anreichung von Elektronen unter dem Metallkontakt Keine Verarmungszone J. Lutz, (Springer, 2006)

5 Prinzipieller Aufbau einer Leistungs-Schottky-Diode: Schichtfolge: m, n (i), n + (A: Anode, K: Kathode) Substratmaterial: Silizium (Si) A Metallisierung n epitaktische (epi-) Schicht n + K Si-Substrat Metallisierung 5

6 Aufbau von Schottky-Dioden: Schematischer Aufbau und schematisches Dotierungsprofil w B Niedrig dotierte n -Zone nimmt die Sperrspannung auf Schottky-Diode unipolares Bauelement w B geht linear in den Ohmschen Spannungsabfall ein 6 J. Lutz, (Springer, 2006)

7 Bänderschema einer Leistungs-Schottky-Diode: Schichtfolge: m, n (i), n + (A: Anode, K: Kathode) A n n + K W F V BN V B R N R N+ R C W C W V 7

8 Auslegung der Schottky-Diode: Weite der Mittelzone w B und ohm scher Widerstand in Abhängigkeit von Spannungsauslegung Je höher die Sperrspannung desto größer w B und desto höher der ohm sche Widerstand Energiedissipation 8 J. Lutz, (Springer, 2006)

9 Widerstand einer 240 V Si-Schottky-Diode: Widerstand fällt mit höherer Grunddotierung Bei höherer Dotierung muss die Weite der Mittelzone vergrößert werden, um 240 V Sperrspannung zu erreichen Widerstand nimmt zu 9 gegenläufige Trends Widerstandsminimum ( 0.45 Ω) J. Lutz, (Springer, 2006)

10 Kennlinie einer Schottky-Diode: Beispiel: Pd 2 Si auf Si (Pd 2 Si: Palladiumsilizid) Barrierenhöhe: 0.73 ev (T = 300 K) Kennlinie abhängig vom Kontaktmaterial bzw. der Barriere ( Schottky-Barriere) 10 J. Lutz, (Springer, 2006)

11 Kennlinien von Schottky-Dioden (T = 300 K): Si-Schottky-Dioden mit verschiedenen Kontaktmaterialien 11 Kennlinie stark temperaturabhängig (Sättigungsstromdichte j S T 2 ) J. Lutz, (Springer, 2006)

12 aus SiC: Schottky-Dioden SiC (4H-Modifikation) Bandlücke: 3.26 ev Schleusenspannung V Durchlassverluste von Nachteil bei pn-dioden SiC gutes Basismaterial für Schottky-Dioden, aber: SiC-Schottky-Diode kleine Schleusenspannung U S 0.9 V (Ti auf SiC) U S 0.5 V (Pt auf Si) 12 J. Lutz, (Springer, 2006)

13 Schottky-Dioden aus SiC: SiC hat eine 10-fach höhere Durchbruchfeldstärke als Si SiC bei gleicher Weite w B der Mittelzone viel größere Durchbruchspannung als bei Si 13 Zudem: Größere Bandlücke Einsatz bei viel höheren Temperaturen möglich J. Lutz, (Springer, 2006)

14 aus SiC: Schottky-Dioden Unipolarer ohm scher Widerstand in Abhängigkeit von der Spannungsauslegung Beachte: y-achse ist logarithmisch skaliert!!! 14 Bei gleicher Spannungsauslegung ist der unipolare Widerstand bei SiC um Größenordungen günstiger J. Lutz, (Springer, 2006)

15 Kennlinie einer SiC-Schottky-Diode: Kennlinie einer 1200 V-Schottky-Diode T = 25 C und 125 C Große Bandlücke (3.26 ev) Einsatz bei viel höheren Temperaturen möglich als für Silizium 15 J. Lutz, (Springer, 2006)

16 Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen pn-übergänge Halbleitertechnologie pin-dioden Bipolare Leistungstransistoren Thyristoren IGBT s Schottky-Dioden Leistungs-MOSFETs 16

17 17 Gliederung Pause