Halbleiter-Leistungsbauelemente - Physik, Eigenschaften, Zuverlässigkeit
von: Josef Lutz
Springer-Verlag, 2006
ISBN: 9783540342076
Sprache: Deutsch
432 Seiten, Download: 7948 KB
Format: PDF, auch als Online-Lesen
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| Inhaltsverzeichnis | 5 | ||
| Vorbemerkung | 11 | ||
| 1 Besonderheiten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente | 14 | ||
| 2 Halbleiterphysikalische Grundlagen | 18 | ||
| 2.1 Eigenschaften der Halbleiter, physikalische Grundlagen | 18 | ||
| Kristallgitter | 18 | ||
| Bandstruktur und Ladungsträger | 19 | ||
| Der dotierte Halbleiter | 25 | ||
| Majoritätsträger und Minoritätsträger | 28 | ||
| Beweglichkeiten | 28 | ||
| Driftgeschwindigkeit bei hohen Feldern | 32 | ||
| Diffusion freier Ladungsträger | 33 | ||
| Generation, Rekombination und Trägerlebensdauer | 34 | ||
| Stoßionisation | 42 | ||
| Grundgleichungen der Halbleiter-Bauelemente | 44 | ||
| Erweiterte Grundgleichungen | 45 | ||
| Neutralität | 46 | ||
| 2.2 pn-Übergänge | 48 | ||
| Der stromlose pn-Übergang | 48 | ||
| Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs | 56 | ||
| Sperrverhalten des pn-Übergangs | 60 | ||
| Der pn-Übergang als Emitter | 69 | ||
| 2.3 Kurzer Exkurs in die Herstellungstechnologie | 74 | ||
| Kristallzucht | 74 | ||
| Neutronendotierung zur Einstellung der Grunddotierung | 77 | ||
| Epitaxie | 78 | ||
| Diffusion | 79 | ||
| Ionenimplantation | 86 | ||
| Oxidation und Maskierung | 91 | ||
| Randstrukturen | 93 | ||
| Passivierung | 98 | ||
| Rekombinationszentren | 99 | ||
| 3 Halbleiterbauelemente | 106 | ||
| 3.1 pin-Dioden | 106 | ||
| Aufbau der pin-Diode | 106 | ||
| Kennlinie der pin-Diode | 108 | ||
| Dimensionierung der pin-Diode | 109 | ||
| Durchlassverhalten | 115 | ||
| Berechnung der Durchlass-Spannung | 118 | ||
| Emitter-Rekombination und effektive Trägerlebensdauer | 121 | ||
| Emitter-Rekombination und Durchlass-Spannung | 125 | ||
| Temperaturabhängigkeit der Durchlasskennlinie | 129 | ||
| Relation von gespeicherter Ladung und Durchlass-Spannung | 131 | ||
| Einschaltverhalten von Leistungsdioden | 132 | ||
| Definitionen zum Ausschaltverhalten von Leistungsdioden | 136 | ||
| Durch Leistungsdioden erzeugte Schaltverluste | 143 | ||
| Vorgang beim Abschalten von Leistungsdioden | 147 | ||
| Moderne schnelle Dioden mit optimiertem Schaltverhalten | 156 | ||
| MOS-gesteuerte Dioden | 168 | ||
| Ausblick | 174 | ||
| 3.2 Schottky-Dioden | 175 | ||
| Zur Physik des Metall-Halbleiter-Übergangs | 176 | ||
| Kennliniengleichung des Schottky-Übergangs | 177 | ||
| Aufbau von Schottky-Dioden | 180 | ||
| Ohm’scher Spannungsabfall des unipolaren Bauelements | 181 | ||
| Schottky-Dioden aus SiC | 185 | ||
| 4 Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsbauelementen | 282 | ||
| 4.1 Problematik der Aufbau- und Verbindungstechnik | 282 | ||
| 4.2 Gehäuseformen | 284 | ||
| Scheibenzellen | 285 | ||
| Die TO-Familie und ihre Verwandten | 288 | ||
| Module | 291 | ||
| 4.3 Physikalische Eigenschaften der Materialien | 296 | ||
| 4.4 Thermisches Ersatzschaltbild und thermische Simulation | 298 | ||
| Transformation zwischen thermodynamischen und elektrischen Größen | 298 | ||
| Eindimensionale Ersatzschaltbilder | 303 | ||
| Dreidimensionales Netzwerk | 305 | ||
| Der transiente thermische Widerstand | 306 | ||
| 4.5 Parasitäre elektrische Elemente in Leistungsmodulen | 307 | ||
| Parasitäre Widerstände | 308 | ||
| Parasitäre Induktivitäten | 309 | ||
| Parasitäre Kapazitäten | 313 | ||
| 4.6 Zuverlässigkeit | 315 | ||
| Anforderungen an die Zuverlässigkeit | 315 | ||
| Heißsperrdauertest und Gate-Stress-Test | 317 | ||
| Heißlagerung, Tieftemperaturlagerung | 319 | ||
| Sperrtest bei feuchter Wärme | 319 | ||
| Temperaturwechseltest | 320 | ||
| Lastwechseltest | 320 | ||
| Ausblick | 328 | ||
| 5 Zerstörungsmechanismen in Leistungsbauelementen | 332 | ||
| 5.1 Der thermischer Durchbruch - Ausfälle durch Übertemperatur | 332 | ||
| 5.2 Überschreiten der Sperrfähigkeit | 335 | ||
| 5.3 Stoßstrom | 336 | ||
| 5.4 Dynamischer Avalanche | 340 | ||
| Dynamischer Avalanche in bipolaren Bauelementen | 340 | ||
| Dynamischer Avalanche in schnellen Dioden | 342 | ||
| 5.5 Überschreiten des abschaltbaren Stroms in GTOs | 352 | ||
| 5.6 Kurzschluss und Latch-up in IGBTs | 353 | ||
| Kurzschlussverhalten von IGBTs | 353 | ||
| Abschalten von Überströmen und dynamischer Avalanche | 358 | ||
| 5.8 Ausfallanalyse | 366 | ||
| Anhang | 410 | ||
| A1 Beweglichkeiten in Silizium | 410 | ||
| A2 Beweglichkeiten in 4H-SiC | 411 | ||
| A3 Thermische Parameter wichtiger Materialien | 412 | ||
| A4 Elektrische Parameter wichtiger Materialien | 413 | ||
| Verzeichnis häufig verwendeter Symbole | 414 | ||
| Literaturverzeichnis | 418 | ||
| Sachverzeichnis | 428 | ||
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