Leistungsbauelemente II - FernUniversität in Hagen · 11 A G e L e i s t u n g s b a u e l m e n t...

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Leistungsbauelem

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Reinhart Job

Leistungsbauelemente II (Kurs-Nr. 21646)

Reinhart Job, apl. Prof. Dr. rer. nat.

Fakultät für Mathematik und InformatikFachgebiet Elektrotechnik und Informationstechnik

(AG Leistungsbauelemente & Sensorik)D-58084 Hagen

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Gliederung

Einleitung

Physikalische Grundlagen

pn-Übergänge

Halbleitertechnologie

pin-Dioden

Bipolare Leistungstransistoren

ThyristorenIGBT‘s

Schottky-Dioden

Leistungs-MOSFETs

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1920 1940 1960 1980 2000 20201

10

100

1,000

10,000 Si-Diode/-Thyristor SCR

IGBT

IGBTGTO

Siliziumthyristor

Siliziumdiode

Germaniumdiode

Selendiode

Kupferoxiduldiode

UB

r (V)

Jahr

Einleitung

Entwicklung von Leistungsbauelementen (z. B. Sperrfähigkeit)

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Thyristoren

•

“normale“

Thyristoren SCR

–

silicon controlled rectifier

•

Zweirichtungsthyristoren DIAC

–

diode for alternating current

TRIAC

–

triode ac switch•

asymmetrisch sperrende Thyristoren

ASCR

–

asymmetrical silicon controlled rectifier

•

rückwärts leitende Thyristoren RCT

–

reverse conducting thyristor

•

abschaltbare Thyristoren GATT

–

gate assisted turn-off thyristor

GTO

–

gate turn-off thyristor•

Fotothyristoren

LTT

–

light triggered thyristor•

Überspannungsschutzdioden

BOD

–

breakover diode•

MOSFET-kontrollierte Thyristoren

MCT

–

MOSFET controlled thyristor•

...

Thyristor- Typen

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Thyristoren

Prinzipieller Aufbau eines Thyristors (4-Schichtelement) (SCR: silicon controled rectifier, hier npnp-SCR):

→ Schichtfolge: n+, p, n⎯, p+

(A: Anode, G: Gate, K: Kathode)

©

V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices

(Wiley, 1999)

K

A

G

K G

A

n+

p

n⎯

p+

P2

P1

N1

N2

Metallisierung

Metallisierung

Oxid (SiO2

)J1

J2

J3

pn-Übergänge:

J1

, J2

, J3

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Thyristoren (SCR)

Dotierprofil eines Thyristors:

→ Schichtfolge: n+, p, n⎯, p+

(A: Anode, G: Gate, K: Kathode)

K A

G

©


(Wiley, 1999)

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Thyristoren

Aufbau eines Thyristors:

Diffusionsprofil eines auf 1600 V ausgelegten Thyristors(entlang der Linie A – B)

Wafersubstrat → n⎯-dotiert

©

J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)

J1

J3

J2J1

J2

J3

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Thyristoren

Ersatzschaltbild des Thyristors:

Thyristor → formal in zwei Teiltransistoren zerlegbar⇒ Ersatzschaltbild

©


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Thyristoren

Aufbau eines Thyristors:

Symbol (a) und vereinfachter Aufbau eines Thyristors (b)→ Thyristor → 4-Schichtelement mit 3 pn-Übergängen

Verlauf des elektrischen Feldes in Vorwärtspolung (c)

Verlauf des elektrischen Feldes in Rückwärtspolung (d)

©


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Thyristoren

Funktionsweise des Thyristors (I):

Spannung in Vorwärtsrichtung: → J1 und J3 offen→ J2 gesperrt

⇒ über J2 bildet sich ein elektrisches Feld aus ⇒ E-Feld dringt in n⎯-Zone ein

Spannung in Sperrrichtung: → J2 offen→ J1 und J3 gesperrt

⇒ wegen der hohen Dotierung auf beiden Seiten von J3→ Sperrspannung klein (∼20 V)

⇒ der wesentliche Teil der Sperrspannung wird von J1aufgenommenE-Feld dringt in n⎯-Zone ein

Mittelzone nimmt in beiden Fällen die Spannung auf⇒ symmetrisch sperrendes

Bauelement

©


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Thyristoren

Funktionsweise des Thyristors (II):

Im Grundzustand → Thyristor sperrt in beide Richtungen

In Durchlassrichtung → Thyristor sperrt bis zu einer Zünd-oder Kippspannung

Stromimpuls am Gate → Thyristor wird gezündet und geht in den leitenden Zustand über

Thyristorzündung durch Strominjektion am Gate⇒ Mittelzone (n⎯) wird mit Ladungsträgern überschwemmt→ wenn: positive Spannung zwischen Anode und Kathode→ wenn: Mindeststrom durch die Sperrschicht fließt

In Sperrrichtung → Thyristor sperrt wie eine normale Diode

Abschalten des Thyristors ⇔ Übergang in Sperrzustand→ Unterschreiten eines Haltestrom (abschalten, umpolen)→ negativer Stromimpuls am Gate bei GTO-Thyristoren

Freiwerdezeit (beim Abschalten) ⇒ Schaltfrequenz

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Thyristoren

Thyristorkennlinie:

Wichtige Kenngrößen:UR(BR): Begrenzung der Sperrfähigkeit (Rückwärtsrichtung)URRM: Maximale Sperrspannung im Rückwärtsbetrieb → DauerbetriebUBO: Zünd- oder Kippspannung (BO: break over)UDRM: Maximale Sperrpannung in Vorwärtsrichtung → DauerbetriebIDD: Sperrstrom → UDRM gilt für einen bestimmten Sperrstrom IDDIL: Einraststrom (L: latching) → Mindeststrom, der nach dem Zünden

fließen muss (ansteigender Ast), damit der Thyristor nicht erlischtIH: Haltestrom darf nicht unterschritten werden (absteigender Ast),

damit das Bauelement „eingeschaltet“ bleibt → IL > IH©


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Thyristoren (SCR)

Thyristorkennlinie:

→ IG2

> IG1

“Über Kopf zünden“ IG

= 0

Anmerkung:

Überkopfzündung ist prinzipiell möglich, sollte aber vermieden werden

©


(Wiley, 1999)

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Thyristoren

Zündarten des Thyristors:

Zündung durch Gatestrom IG → häufigste Zündart

Zündung durch Überschreitung der Kippspannung UBO→ problematisch

Zündung durch eine Spannungsflanke duD/dt (uD: Durchlassspannung)→ unerwünscht → für technischen Einsatz wird maximale erlaubte

Spannungsflanke vorgegeben

Zündung durch Lichtimpuls→ Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren→ Elektronen fließen zur Anode, Löcher zur Kathode→ Generationsstrom hat gleiche Wirkung wie Gatestrom

Zündung durch Temperaturerhöhung

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Thyristoren

Zündung des Thyristors:

Stromverteilung im Thyristor unmittelbar nach Zündung

©


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Thyristoren

Löschen des Thyristors:

Ausschalten des Thyristors → üblicherweise durch Umpo-lung der treibenden Spannung

Durchlassfall → Mittelzone (n⎯-) ist mit Ladungsträgern überschwemmt

Kommutierung → zunächst tritt ein Strom in Rückwärts-richtung auf → gespeicherte Ladung wird frei

Damit der Thyristor wieder in Vorwärtsrichtung belastbar wird, muss die Speicherladung fast komplett ausgeräumt werden

Dauer des Ausräumens → Freiwerdezeit tq

©


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Thyristoren

Löschen des Thyristors:

©


Thyristor offen, Strom fließt in Vorwärtsrichtung, Spannung ist klein

J3

wird zuerst frei, kann aber nur ∼20 V aufnehmen (hohe p-Dotierung der Basis)

Rückstrom fließt unverändert weiter

Nach Rückstromspitze → Strom baut sich langsam ab

⇒ Spannung baut sich auf, Spannungsspitze tritt auf

Spannung wird umgepolt, dabei: → duD

/dt darf nicht zu groß

werden → Thyristor darf nicht zünden

uD

: Diffusionsspannung des pn-Übergangs

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Thyristoren

Sperrverhalten des Thyristors:

Verlauf des Lawinendurchbruchs und des Punch-Through* für unterschiedliche Weiten des n⎯-Zone

Linie 1: Lawinendurchbruch in Abhän-gigkeit von ND (Dotierung)

Linien 2, 3:Punch-Through für Basisweiten wB = 250 µm, 450 µm

Thyristor-Dimensionierung:→ nahe Schnittpunkt von Linie 1

und Linie 2 (1600 V SCR)oder Linie 3 (3000 V SCR)

* Punch-Through: → E-Feld dringt in p-Gebiet ein

©


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Thyristoren

Temperaturabhängigkeit der Kippspannung:

Stromverstärkungsfaktoren eines Transistors→ temperatur- und stromabhängig

Stromverstärkungsfaktoren steigen bei niedrigen Tempera-turen mit steigender Temperatur an

Bedingung für Lawinendurchbruch bei offener Basis wird mit steigender Temperatur früher erreicht ⇒ Kippspannung UBO nimmt ab

Einführung von Emitter-Kurzschlüssen ⇒ UBO deutlich größer als beim konventionellen Thyristor

z. B. Kurzschluss zwischen Basis und Emitter des npn-Transistors ⇒ Basisstrom fließt über Emitter ab

Erst wenn Strom sehr groß → Spannungsabfall über Wi-derstand wird groß ⇒ Stromverstärkung ⇒ UBO nimmt ab

©


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Thyristoren

Emitter-Kurzschlüsse:

Einführung von Emitter-Kurzschlüssen zur Erhöhung der Kippspannung

©


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Thyristoren

Temperaturabhängigkeit der Kippspannung:

Einfluss von Emitter-Kurzschlüssen auf die Temperatur-abhängigkeit der Kippspannung UBO

©


Mit Emitter-Kurzschluss

Ohne Emitter-Kurzschluss

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Thyristoren

Bauformen von „normalen“

Thyristoren (SCR):

©

Wikipedia

G A K KHK G

A

1234567

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a) Kleinthyristorb) Druckkontaktierter Thyristor A

Anode HK HilfskathodeK

Kathode

G

Steueranschluss (Gate)1)

Stromanschlüsse 5)

Tellerfeder2)

Keramische Durchführung 6)

Siliziumscheibe3)

Steueranschluss 7)

Rinbuckelschweissung4)

Kupferstempel 8)

Kupferboden

a)

b)

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Thyristoren

Weitere Bauformen von Thyristoren:

Asymmetrisch sperrende Thyristoren (ASCR)

Rückwärts leitende Thyristoren (RCT)

TRIAC

DIAC

Abschaltbare Thyristoren (GTOs)

Double-Gated GTO

Gate-Commutated-Thyristor

…

©


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Thyristoren

Eigenschaften von asymmetrisch sperrende Thyristoren*:zwischen anodenseitiger p+-Schicht und n- (n⎯-) Schicht wird eine hoch dotierte n+-Schicht eingefügtstark eingeschränkte Sperrfähigkeit in Rückwärtsrichtung

Vorteile gegenüber konventionellen Thyristoren:um Faktor 2 – 3 kleinere Freiwerdezeitgeringere EinschaltverlustleistungDicke der n- (n⎯-) Schicht kann verringert werdenniedrigere Durchlassspannung

*ASCR –

asymmetric controlled rectifier

p+

n+

n⎯

p

n+

p+

n⎯

p

n+

ASCR* A

K

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Thyristoren

Eigenschaften von rückwärts leitenden Thyristoren*:manche Thyristoren sollen in Rückwärtsrichtung einen Strom führen könnenDiode antiparallel zum Thyristor in das Bauteil integriert

Vorteile gegenüber konventionellen Thyristoren:geringere Freiwerdezeitniedrigere Durchlassspannunggeringere Einschaltverlustleistunggeringere Induktivität (keine Verbindungsleitungen)

*RCT –


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Thyristoren

Aufbau von rückwärts leitenden Thyristoren (RCT*):

©


(Wiley, 1999)

Diodenbereich Thyristorbereich

*RCT –


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Thyristoren

TRIAC:

TRIAC ⇔ zwei Thyristoren in antiparalleler Anordnung auf einem Chip integriert

TRIAC kann in beide Richtungen gezündet werden

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Thyristoren

Prinzipieller Aufbau von Thyristortrioden / TRIACS (TRIAC: triode ac

switch):

Schichtfolge: n+(p), n⎯, p+ (n+) (MT1, 2: Elektroden, G: Gate)→ 5-Schichtelement

©


(Wiley, 1999)

p

n⎯

p+

MT1

MT2

G

n+

Metallisierung

n+

Metallisierung

Oxid (SiO2

) J1J5

J2J3 J4

MT1

MT2

G

pn-Übergänge ("junction"): J1

, J2

, J3

, J4

, J5

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Thyristoren

Bauformen von TRIACs, Kennlinie:

©

Wikipedia

Einsatzgebiete von TRIACs:

Phasenschnittsteuerungen z. B. Dimmer

Opto-TRIACs (Zündung mit Licht) Halbleiterrelais

in Leistungselektronik werde einzelne Thyristoren ein-gesetzt (TRIACs nicht für sehr große Ströme herstellbar)

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Thyristoren

Prinzipieller Aufbau von Thyristordioden (DIACS): (DIAC: diode alternating current)

→

Schichtfolge: n+(p), n⎯, p+

(n+)

(A1, 2

: Anoden)

→

wie TRIAC aufgebaut, aber ohne Gate (5-Schichtelement)

©


(Wiley, 1999)

A1

A2

p+

n⎯

p+

A1

A2

n+

Metallisierung

n+

Metallisierung

J3J4

J2J1

pn-Übergänge: J1

, J2

, J3

, J4

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Thyristoren

Kennlinie eines DIACs:

→

wie beim TRIAC

→

aber nur Überkopfzündung

→

keine gesteuerte Zündung über Gate

Einsatzgebiete von DIACs:

Zündschaltungen vonThyristorsteuerungen(Zündimpulse mit steilenFlanken)

Wechselstromschalter sindmöglich, werden aber in der Praxis nicht verwendet

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Thyristoren

Abschaltbarer Thyristor (GTO, Gate

Turn-Off

Thyristor):

Thyristor, der über ein Gate gesteuert / abgeschaltet wird

Vollständig kontrollierbarer Schalter→ kann beliebig an- und ausgeschaltet werden Für hohe Spannungen > 2500 V, hohe Ströme > 400 A

Rel. lange Abschaltzeit (∼10 µs) ⇒ Schaltfrequenz: ∼1 kHz

Hat lange die Hochleistungsanwendungen dominiert → wird heute mehr und mehr durch IGBTs ersetzt

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(Wiley, 1999)

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Thyristoren

Abschaltbarer Thyristor (GTO):

Um aus Thyristor ein abschaltbares Bauelement zu machen → besondere Maßnahmen notwendig

GTO unterscheidet sich vonnormalen Thyristoren durch Emitterstruktur aus Fingern → Fingerbreite: 100 – 300 µm

Gate-Anschluss → ringförmig→ Spannungsabfall in Metalli-

sierung des Gates darf nicht zu groß werden

GTO → hohe Strombereiche⇒ auf kompletten Wafer ein

GTO-Bauelement

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Thyristoren

GTO-Thyristor:

Anordnung der Emitterfinger bei einem 4.5 kV-GTO von Infineon (∅ = 82 mm)

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Thyristoren

GTO-Thyristor:

Stromfluss in einem Finger des GTO-Thyristors beim Abschalten

©


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Thyristoren

GTO (Aufbau):GTO-Technik nur effektiv, wenn Kathodenregion als n+-dotierter Emitter-Streifen ausgelegt ist

Hochleistungsbetrieb: → möglichst große Kathodenfläche

⇒ sorgfältiges Layout nötig→ Zusammenschaltung von

hunderten GTO-Zellen auf einem Wafer

→ GTO-Zellen müssen simultan abgeschaltet werden, damit der Strom gleichmäßig über die Waferfläche verteilt wird

→ keine simultane Abschaltung ⇒ Zerstörung des GTOs

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(Wiley, 1999)

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Thyristoren

GTO-Thyristor:

GTO-Thyristor mit anodenseitigen Emitter-Kurzschlüssen

Verbesserung der Ausräumung von Ladungsträgern (Emitter-Kurzschlüsse → besser als Au-Rekombinationszentren)

Über das Gate wird der Löcher-strom ausgeräumt⇒ Injektion von Elektronen aus

n+-Emitter unterbunden

Elektronen werden über die ano-denseitigen Kurzschlüsse ausge-räumt

GTO mit Emitter-Kurzschlüssen→ verliert Sperrfähigkeit in

Rückwärtsrichtung

©


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Thyristoren

GTO (Abschaltverhaltenbau):

Charakteristisch → Schweifstrom („Tail Current“)

©


(Wiley, 1999)

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Thyristoren

Double-Gate-GTO (DGTO):

Verringerte Abschaltzeiten

Verringerte Abschaltverluste

Höhere Spannungen bei gleicher Schaltfrequenz

z. B.: 6 kV-DGTO kann mit 1 kHz Schaltfrequenz betrieben werden

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(Wiley, 1999)

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Einleitung Physikalische Grundlagen pn-ÜbergängeHalbleitertechnologie pin-DiodenBipolare Leistungstransistoren ThyristorenIGBT‘s

Schottky-Dioden

Leistungs-MOSFETs

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