VII Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis...VII 1 Besonderheiten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente...1 2 Halbleiterphysikalische Grundlagen...5 2.1 Eigenschaften der Halbleiter, physikalische Grundlagen...5 Kristallgitter...5 Bandstruktur und Ladungsträger...6 Der dotierte Halbleiter...12 Majoritätsträger und Minoritätsträger...15 Beweglichkeiten...15 Driftgeschwindigkeit bei hohen Feldern...19 Diffusion freier Ladungsträger...20 Generation, Rekombination und Trägerlebensdauer...21 Stoßionisation...29 Grundgleichungen der Halbleiter-Bauelemente...31 Erweiterte Grundgleichungen...32 Neutralität...33 2.2 pn-übergänge...35 Der stromlose pn-übergang...35 Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-übergangs...43 Sperrverhalten des pn-übergangs...47 Der pn-übergang als Emitter...56 2.3 Kurzer Exkurs in die Herstellungstechnologie...61 Kristallzucht...61 Neutronendotierung zur Einstellung der Grunddotierung...64 Epitaxie...65 Diffusion...66
VIII Ionenimplantation...73 Oxidation und Maskierung...78 Randstrukturen...80 Passivierung...85 Rekombinationszentren...86 3 Halbleiterbauelemente...93 3.1 pin-dioden...93 Aufbau der pin-diode...93 Kennlinie der pin-diode...95 Dimensionierung der pin-diode...96 Durchlassverhalten...102 Berechnung der Durchlass-Spannung...105 Emitter-Rekombination und effektive Trägerlebensdauer...108 Emitter-Rekombination und Durchlass-Spannung...112 Temperaturabhängigkeit der Durchlasskennlinie...116 Relation vom gespeicherter Ladung und Durchlassspannung...118 Einschaltverhalten von Leistungsdioden...119 Definitionen zum Ausschaltverhalten von Leistungsdioden...123 Durch Leistungsdioden erzeugte Schaltverluste...130 Vorgang beim Abschalten von Leistungsdioden...134 Moderne schnelle Dioden mit optimiertem Schaltverhalten...143 MOS-gesteuerte Dioden...155 Ausblick...161 3.2 Schottky-Dioden...162 Zur Physik des Metall-Halbleiter-Übergangs...163 Kennliniengleichung des Schottky-Übergangs...164 Aufbau von Schottky-Dioden...167 Ohm scher Spannungsabfall des unipolaren Bauelements...168 Schottky-Dioden aus SiC...172 3.3 Bipolare Transistoren...177 Funktionsweise des Bipolartransistors...177 Aufbau des Leistungstransistors...178 Kennlinie des Leistungstransistors...180 Sperrverhalten des Leistungstransistors...181 Stromverstärkung des Bipolartransistors...184 Basisaufweitung, Feldumverteilung und zweiter Durchbruch...189 Grenzen des Bipolartransistors...192 3.4 Thyristoren...193 Aufbau und Funktionsweise...193 Kennlinie des Thyristors...196 Sperrverhalten des Thyristors...198
IX Die Funktion von Emitter-Kurzschlüssen...200 Zündarten des Thyristors...201 Zündausbreitung...202 Folgezündung Amplifying Gate...203 Löschen des Thyristors und Freiwerdezeit...204 Der Triac...206 Der abschaltbare Thyristor (GTO)...208 Der Gate Commutated Thyristor (GCT)...214 3.5 MOS Transistoren...216 Funktionsweise des MOSFET...216 Aufbau von Leistungs-MOSFETs...219 Kennlinienfeld des MOS-Transistors...222 Kennliniengleichung des MOSFET-Kanals...223 Der Ohm sche Bereich...227 Superjunction-MOSFETs...229 Schalteigenschaften des MOSFET...232 Schaltverluste des MOSFET...237 Sicherer Arbeitsbereich des MOSFET...239 Die inverse Diode des MOSFET...240 Ausblick...242 3.6 IGBTs...243 Funktionsweise...243 Die Kennlinie des IGBT...246 Das Schaltverhalten des IGBT...247 Die Grundtypen PT-IGBT und NPT-IGBT...250 Ladungsträgerverteilung im IGBT...254 Erhöhte Ladungsträgerinjektion in modernen IGBTs...256 Die Wirkung der Löcherbarriere...262 Kollektorseitige Buffer-Schichten...264 Der beidseitig sperrfähige IGBT...266 Ausblick...267 4 Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsbauelementen...269 4.1 Problematik der Aufbau- und Verbindungstechnik...269 4.2 Gehäuseformen...271 Scheibenzellen...272 Die TO-Familie und ihre Verwandten...275 Module...278 4.3 Physikalische Eigenschaften der Materialien...283 4.4 Thermisches Ersatzschaltbild und thermische Simulation...285 Transformation zwischen thermodynamischen und elektrischen Größen...285
X Eindimensionale Ersatzschaltbilder...290 Dreidimensionales Netzwerk...292 Der transiente thermische Widerstand...293 4.5 Parasitäre elektrische Elemente in Leistungsmodulen...294 Parasitäre Widerstände...295 Parasitäre Induktivitäten...296 Parasitäre Kapazitäten...300 4.6 Zuverlässigkeit...302 Anforderungen an die Zuverlässigkeit...302 Heißsperrdauertest und Gate-Stress-Test...304 Heißlagerung, Tieftemperaturlagerung...306 Sperrtest bei feuchter Wärme...306 Temperaturwechseltest...307 Lastwechseltest...307 Ausblick...315 5 Zerstörungsmechanismen in Leistungsbauelementen...319 5.1 Der thermischer Durchbruch - Ausfälle durch Übertemperatur...319 5.2 Überschreiten der Sperrfähigkeit...322 5.3 Stoßstrom...323 5.4 Dynamischer Avalanche...327 Dynamischer Avalanche in bipolaren Bauelementen...327 Dynamischer Avalanche in schnellen Dioden...329 5.5 Überschreiten des abschaltbaren Stroms in GTOs...339 5.6 Kurzschluss und Latch-up in IGBTs...340 Kurzschlussverhalten von IGBTs...340 Abschalten von Überströmen und dynamischer Avalanche...345 5.7 Ausfälle durch Höhenstrahlung...348 5.8 Ausfallanalyse...353 6 Durch Bauelemente verursachte Schwingungseffekte und elektromagnetische Störungen...357 6.1 Schaltungs- und bauelementbedingte Schwingungseffekte...357 Frequenzbereich elektromagnetischer Störungen...357 Oberschwingungen bzw. Harmonische...358 6.2 LC-Schwingungen...360 Abschalt-Oszillationen bei parallel geschalteten IGBTs...360 Abschalt-Oszillationen bei snappigen Dioden...362 6.3 Trägerlaufzeit-Oszillationen...366 Plasma Extraction Transit Time (PETT) Oszillationen...366 Impact Ionisation Transit Time (IMPATT) Oszillationen...374
XI 7 Leistungselektronische Systeme...379 7.1 Begriffsbestimmung und Merkmale...379 7.2 Monolithisch integrierte Systeme - Power IC s...381 7.3 Auf Leiterplattenbasis integrierte Systeme...386 7.4 Hybride Integration...389 Anhang...397 A1 Beweglichkeiten in Silizium...397 A2 Beweglichkeiten in 4H-SiC...398 A3 Thermische Parameter wichtiger Materialien...399 A4 Elektrische Parameter wichtiger Materialien...400 A5 Verzeichnis häufig verwendeter Symbole...401 Literaturverzeichnis...405 Sachverzeichnis...415