Halbleiter-Leistungsbauelemente: Physik, Eigenschaften, Zuverlässigkeit

427 Pages·2006·7.84 MB·German

by  Josef Lutz

Josef Lutz
Halbleiter-Leistungsbauelemente
Josef Lutz
Halbleiter-Leistungsbauelemente
Physik, Eigenschaften, Zuverlässigkeit
In weiten Teilen aufbauend auf dem Manuskript einer Vorlesung
von Heinrich Schlangenotto, gehalten an der Technischen Universität
Darmstadt, sowie auf Arbeiten von Uwe Scheuermann.
Mit 283 Abbildungen
1 3
Professor Dr.-Ing. Prof. h. c. Josef Lutz
Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Lehrstuhl für Leistungselektronik und elektromagnetische Verträglichkeit
Reichenhainer Str. 70
09126 Chemnitz
[email protected]
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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
VI
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
VII
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
VIII
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
I X
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
Vorbemerkung
Die Halbleiter-Leistungsbauelemente sind das Kernstück der Leistungs-
elektronik. 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 me-
chanischen 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 einzuarbei-
ten, und die physikalischen Ursachen für die technischen Eigenschaften
nachvollziehen zu können. Damit soll der Ingenieur oder künftige Ingeni-
eur in die Lage versetzt werden, die Stärken und Schwächen des jeweili-
gen 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, de-
ren technische Anwendung heute verdrängt wurde, werden kürzer behan-
delt. Bei jedem Bauelement gibt es einen einführenden Teil, der den Auf-
bau 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 behan-
delt 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
XI I
daraus resultierenden elektrischen Eigenschaften kann das Verständnis er-
leichtern. Zur Behandlung der wichtigen Problematik der 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 Behand-
lung der Emittereigenschaften wird das erste Mal in einem Lehrbuch be-
handelt.
Der Anwender begegnet den Leistungsbauelementen im gekapselten
Zustand, heute werden zumeist Module eingesetzt. Hier spielen die ther-
mischen 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 so-
wie 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 ei-
ner 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 Ausarbeitung weitgehend auf dem Manuskript der Vorlesung
„Leistungshalbleiterbauelemente“ von Prof. Heinrich Schlangenotto,
Daimler-Benz Forschungszentrum Frankfurt, gehalten an der TU Darm-
stadt, auf. Heinrich Schlangenotto hat sehr große Beiträge zum theoreti-
schen Fundament für die heutigen modernen Leistungsbauelemente geleis-
tet. 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
Halbleitermaterialen und um die Physik neuer, in den letzten Jahren einge-
führter 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 Verbin-
dungstechnik 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 Se-