1
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
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
2
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Gliederung
Einleitung
Physikalische Grundlagen
pn-Übergänge
Halbleitertechnologie
pin-Dioden
Bipolare Leistungstransistoren
ThyristorenIGBT‘s
Schottky-Dioden
Leistungs-MOSFETs
3
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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)
4
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
5
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
6
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren (SCR)
Dotierprofil eines Thyristors:
→ Schichtfolge: n+, p, n⎯, p+
(A: Anode, G: Gate, K: Kathode)
K A
G
©
V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
7
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
8
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
Ersatzschaltbild des Thyristors:
Thyristor → formal in zwei Teiltransistoren zerlegbar⇒ Ersatzschaltbild
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
9
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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)
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
1
10
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
11
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
12
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
13
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren (SCR)
Thyristorkennlinie:
→ IG2
> IG1
“Über Kopf zünden“ IG
= 0
Anmerkung:
Überkopfzündung ist prinzipiell möglich, sollte aber vermieden werden
©
V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
14
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
15
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
Zündung des Thyristors:
Stromverteilung im Thyristor unmittelbar nach Zündung
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
16
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
17
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
Löschen des Thyristors:
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
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
18
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
19
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
20
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
Emitter-Kurzschlüsse:
Einführung von Emitter-Kurzschlüssen zur Erhöhung der Kippspannung
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
21
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
Temperaturabhängigkeit der Kippspannung:
Einfluss von Emitter-Kurzschlüssen auf die Temperatur-abhängigkeit der Kippspannung UBO
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
Mit Emitter-Kurzschluss
Ohne Emitter-Kurzschluss
22
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
Bauformen von „normalen“
Thyristoren (SCR):
©
Wikipedia
G A K KHK G
A
1234567
8
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)
23
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
Weitere Bauformen von Thyristoren:
Asymmetrisch sperrende Thyristoren (ASCR)
Rückwärts leitende Thyristoren (RCT)
TRIAC
DIAC
Abschaltbare Thyristoren (GTOs)
Double-Gated GTO
Gate-Commutated-Thyristor
…
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
24
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
25
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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 –
reverse conducting thyristor
26
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
Aufbau von rückwärts leitenden Thyristoren (RCT*):
©
V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
Diodenbereich Thyristorbereich
*RCT –
reverse conducting thyristor
27
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
TRIAC:
TRIAC ⇔ zwei Thyristoren in antiparalleler Anordnung auf einem Chip integriert
TRIAC kann in beide Richtungen gezündet werden
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
28
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
Prinzipieller Aufbau von Thyristortrioden / TRIACS (TRIAC: triode ac
switch):
Schichtfolge: n+(p), n⎯, p+ (n+) (MT1, 2: Elektroden, G: Gate)→ 5-Schichtelement
©
V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(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
29
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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)
30
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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)
©
V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
A1
A2
p+
n⎯
p+
A1
A2
n+
Metallisierung
n+
Metallisierung
J3J4
J2J1
pn-Übergänge: J1
, J2
, J3
, J4
31
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
32
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
©
V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
33
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
34
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
GTO-Thyristor:
Anordnung der Emitterfinger bei einem 4.5 kV-GTO von Infineon (∅ = 82 mm)
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
35
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
GTO-Thyristor:
Stromfluss in einem Finger des GTO-Thyristors beim Abschalten
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
36
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
©
V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
37
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
©
J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)
38
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Thyristoren
GTO (Abschaltverhaltenbau):
Charakteristisch → Schweifstrom („Tail Current“)
©
V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
39
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
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
©
V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices
(Wiley, 1999)
40
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Gliederung
Einleitung Physikalische Grundlagen pn-ÜbergängeHalbleitertechnologie pin-DiodenBipolare Leistungstransistoren ThyristorenIGBT‘s
Schottky-Dioden
Leistungs-MOSFETs
41
AG
Leistungsbauelem
ente
& Senso
rik
Reinhart Job
Gliederung
Pause