Halbleiter-Leistungsbauelemente: Physik, Eigenschaften, Zuverlässigkeit
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| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Berlin
Springer
2006
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| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | Auch als Internetausgabe |
| Physical Description: | XIII, 419 S. Ill., graph. Darst. |
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JOSEF LUTZ
HALBLEITER-LEISTUNGSBAUELEMENTE PHYSIK, EIGENSCHAFTEN, ZUVERLAESSIGKEIT
IN WEITEN TEILEN AUFBAUEND AUF DEM MANUSKRIPT EINER VORLESUNG VON
HEINRICH SCHLANGENOTTO, GEHALTEN AN DER TECHNISCHEN UNIVERSITAET
DARMSTADT, SOWIE AUF ARBEITEN VON UWE SCHEUERMANN.
MIT 283 ABBILDUNGEN
^ SP RINGER
IMAGE 2
INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS VII
1 BESONDERHEITEN LEISTUNGSELEKTRONISCHER HALBLEITERBAUELEMENTE 1
2 HALBLEITERPHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN 5
2.1 EIGENSCHAFTEN DER HALBLEITER, PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN 5
KRISTALLGITTER 5
BANDSTRUKTUR UND LADUNGSTRAEGER 6
DER DOTIERTE HALBLEITER 12
MAJORITAETSTRAEGER UND MINORITAETSTRAEGER 15
BEWEGLICHKEITEN 15
DRIFTGESCHWINDIGKEIT BEI HOHEN FELDERN 19
DIFFUSION FREIER LADUNGSTRAEGER 20
GENERATION, REKOMBINATION UND TRAEGERLEBENSDAUER 21
STOSSIONISATION 29
GRUNDGLEICHUNGEN DER HALBLEITER-BAUELEMENTE 31
ERWEITERTE GRUNDGLEICHUNGCN 32
NEUTRALITAET 33
2.2 PN-UEBERGAENGE 35
DER STROMLOSE PN-UEBERGANG 35
STROM-SPANNUNGS-KENNLINIE DES PN-UEBERGANGS 43
SPERRVERHALTEN DES PN-UEBERGANGS 47
DER PN-UEBERGANG ALS EMITTER 56
2.3 KURZER EXKURS IN DIE HERSTELLUNGSTECHNOLOGIE 61
KRISTALLZUCHT 61
NEUTRONENDOTIERUNG ZUR EINSTELLUNG DER GRUNDDOTIERUNG 64
EPITAXIE 65
DIFFUSION 66
IMAGE 3
VI
IONENIMPLANTATION -,-,
OXIDATION UND MASKIERUNG 7G
RANDSTRUKTUREN O 0
PASSIVIERUNG O -
REKOMBINATIONSZENTRCN OS
3 HALBLEITERBAUELEMENTE 03
3.1 PIN-DIODEN 03
AUFBAU DERPIN-DIODE 93
KENNLINIE DERPIN-DIODE QC
DIMENSIONIERUNG DERPIN-DIODE %
DURCHLASSVERHALTEN 02
BERECHNUNG DER DURCHLASS-SPANNUNG ] 05
EMITTER-REKOMBINATION UND EFFEKTIVE TRAEGERLEBENSDAUER ...108
EMITTER-REKOMBINATION UND DURCHLASS-SPANNUNG .. . ] 12
TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER DURCHLASSKENNLINIE 116
RELATION VOM GESPEICHERTER LADUNG UND DURCHLASSSPANNUNG 1 18
EINSCHALTVERHALTEN VON LEISTUNGSDIODEN 119
DEFINITIONEN ZUM AUSSCHALTVERHALTEN VON LEISTUNGSDIODEN ..123 DURCH
LEISTUNGSDIODEN ERZEUGTE SCHALTVERLUSTE 130
VORGANG BEIM ABSCHALTEN VON LEISTUNGSDIODEN .1.134
MODERNE SCHNELLE DIODEN MIT OPTIMIERTEM SCHALTVERHALTEN 143
MOS-GESTEUERTE DIODEN ] 55
AUSBLICK L F IL
3.2 SCHOTTKY-DIODCN , (2
ZUR PHYSIK DES METALL-HALBLEITER-UEBERGANGS Z Z Z. 163
KENNLINIENGLEICHUNG DES SCHOTTKY-UEBERGANGS . ... ... 164
AUFBAU VON SCHOTTKY-DIODCN ] 67
OHM SCHER SPANNUNGSABFALL DES UNIPOLAREN BAUELEMENTS 168
SCHOTTKY-DIODEN AUS SIC ] 72
3.3 BIPOLARE TRANSISTOREN JYY
FUNKTIONSWEISE DES BIPOLARTRANSISTORS ] 77
AUFBAU DES LEISTUNGSTRANSISTORS 17G
KENNLINIE DES LEISTUNGSTRANSISTORS 180
SPERRVERHALTENDES LEISTUNGSTRANSISTORS LG]
STROMVERSTAERKUNG DES BIPOLARTRANSISTORS 184
BASISAUFWEITUNG, FELDUMVERTEILUNG UND ZWEITER DURCHBRUCH 189 GRENZEN DES
BIPOLARTRANSISTORS 1 92
3.4 THYRISTOREN ,N-,
AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE 193
KENNLINIE DES THYRISTORS ] 96
SPERRVERHALTEN DES THYRISTORS I 9 O
IMAGE 4
VII
DIE FUNKTION VON EMITTER-KURZSCHLUESSEN 200
ZUENDARTEN DES THYRISTORS 201
ZUENDAUSBREITUNG 202
FOLGEZUENDUNG - AMPLIFYING GATE 203
LOESCHEN DES THYRISTORS UND FREIVVERDEZEIT 204
DERTRIAC 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 SEHE 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
3.6IGBTS 243
FUNKTIONSWEISE 243
DIE KENNLINIE DES IGBT 246
DAS SCHALTVERHALTEN DES IGBT 247
DIE GRUNDTYPEN PT-IGBT UND NPT-IGBT 250
LADUNGSTRAEGERVERTEILUNG IM IGBT 254
ERHOEHTE LADUNGSTRAEGERINJEKTION IN MODERNEN IGBTS 256
DIE WIRKUNG DER *LOECHERBARRIERE 262
KOLLEKTORSEITIGE BUFFER-SCHICHTEN 264
DER BEIDSEITIG SPERRLAEHIGE IGBT 266
AUSBLICK 267
4 AUFBAU- UND VERBINDUNGSTECHNIK VON LEISTUNGSBAUELEMENTEN ...269 4.1
PROBLEMATIK DER AUFBAU- UND VERBINDUNGSTECHNIK 269
4.2 GEHAEUSEFORMEN 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 GROESSEN 285
IMAGE 5
VIII
EINDIMENSIONALE ERSATZSCHALTBILDER 290
DREIDIMENSIONALES NETZWERK 292
DER TRANSIENTE THERMISCHE WIDERSTAND 293
4.5 PARASITAERE ELEKTRISCHE ELEMENTE IN LEISTUNGSMODULEN 294
PARASITAERE WIDERSTAENDE 295
PARASITAERE INDUKTIVITAETEN 296
PARASITAERE KAPAZITAETEN 300
4.6 ZUVERLAESSIGKEIT 302
ANFORDERUNGEN AN DIE ZUVERLAESSIGKEIT 302
HEISSSPERRDAUERTEST UND GATE-STRESS-TEST 304
HEISSLAGERUNG, TIEFTEMPERATURLAGERUNG 306
SPERRTEST BEI FEUCHTER WAERME 306
TEMPERATURWECHSELTEST 307
LASTWECHSELTEST 307
AUSBLICK 315
5 ZERSTOERUNGSMECHANISMEN IN LEISTUNGSBAUELEMENTEN 319
5.1 DER THERMISCHER DURCHBRUCH - AUSFAELLE DURCH UEBERTEMPERATUR... 319
5.2 UEBERSCHREITEN DER SPERRFAEHIGKEIT 322
5.3 STOSSSTROM 323
5.4 DYNAMISCHER AVALANCHE 327
DYNAMISCHER AVALANCHE IN BIPOLAREN BAUELEMENTEN 327
DYNAMISCHER AVALANCHE IN SCHNELLEN DIODEN 329
5.5 UEBERSCHREITEN DES ABSCHALTBAREN STROMS IN GTOS 339
5.6 KURZSCHLUSS UND LATCH-UP IN IGBTS 340
KURZSCHLUSSVERHALTEN VON IGBTS 340
ABSCHALTEN VON UEBERSTROEMEN UND DYNAMISCHER AVALANCHE 345
5.7 AUSFAELLE DURCH HOEHENSTRAHLUNG 348
5.8 AUSFALLANALYSE 353
6 DURCH BAUELEMENTE VERURSACHTE SCHWINGUNGSEFFEKTE UND
ELEKTROMAGNETISCHE STOERUNGEN 357
6.1 SCHALTUNGS- UND BAUELEMENTBEDINGTE SCHWINGUNGSEFFEKTE 357
FREQUENZBEREICH ELEKTROMAGNETISCHER STOERUNGEN 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 TRAEGERLAUFZEIT-OSZILLATIONEN 366
PLASMA EXTRACTION TRANSIT TIME (PETT) OSZILLATIONEN 366
IMPACT IONISATION TRANSIT TIME (IMPATT) OSZILLATIONEN 374
IMAGE 6
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 339
ANHANG 397
AI BEWEGLICHKEITEN IN SILIZIUM 397
A2 BEWEGLICHKEITEN IN 411-SIC 398
A3 THERMISCHE PARAMETER WICHTIGER MATERIALIEN 399
A4 ELEKTRISCHE PARAMETER WICHTIGER MATERIALIEN 400
A5 VERZEICHNIS HAEUTIG VERWENDETER SYMBOLE 401
LITERATURVERZEICHNIS 495
SACHVERZEICHNIS 415
|
| adam_txt |
IMAGE 1
JOSEF LUTZ
HALBLEITER-LEISTUNGSBAUELEMENTE PHYSIK, EIGENSCHAFTEN, ZUVERLAESSIGKEIT
IN WEITEN TEILEN AUFBAUEND AUF DEM MANUSKRIPT EINER VORLESUNG VON
HEINRICH SCHLANGENOTTO, GEHALTEN AN DER TECHNISCHEN UNIVERSITAET
DARMSTADT, SOWIE AUF ARBEITEN VON UWE SCHEUERMANN.
MIT 283 ABBILDUNGEN
^ SP RINGER
IMAGE 2
INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS VII
1 BESONDERHEITEN LEISTUNGSELEKTRONISCHER HALBLEITERBAUELEMENTE 1
2 HALBLEITERPHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN 5
2.1 EIGENSCHAFTEN DER HALBLEITER, PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN 5
KRISTALLGITTER 5
BANDSTRUKTUR UND LADUNGSTRAEGER 6
DER DOTIERTE HALBLEITER 12
MAJORITAETSTRAEGER UND MINORITAETSTRAEGER 15
BEWEGLICHKEITEN 15
DRIFTGESCHWINDIGKEIT BEI HOHEN FELDERN 19
DIFFUSION FREIER LADUNGSTRAEGER 20
GENERATION, REKOMBINATION UND TRAEGERLEBENSDAUER 21
STOSSIONISATION 29
GRUNDGLEICHUNGEN DER HALBLEITER-BAUELEMENTE 31
ERWEITERTE GRUNDGLEICHUNGCN 32
NEUTRALITAET 33
2.2 PN-UEBERGAENGE 35
DER STROMLOSE PN-UEBERGANG 35
STROM-SPANNUNGS-KENNLINIE DES PN-UEBERGANGS 43
SPERRVERHALTEN DES PN-UEBERGANGS 47
DER PN-UEBERGANG ALS EMITTER 56
2.3 KURZER EXKURS IN DIE HERSTELLUNGSTECHNOLOGIE 61
KRISTALLZUCHT 61
NEUTRONENDOTIERUNG ZUR EINSTELLUNG DER GRUNDDOTIERUNG 64
EPITAXIE 65
DIFFUSION 66
IMAGE 3
VI
IONENIMPLANTATION -,-,
OXIDATION UND MASKIERUNG 7G
RANDSTRUKTUREN O 0
PASSIVIERUNG O -
REKOMBINATIONSZENTRCN OS
3 HALBLEITERBAUELEMENTE 03
3.1 PIN-DIODEN 03
AUFBAU DERPIN-DIODE 93
KENNLINIE DERPIN-DIODE QC
DIMENSIONIERUNG DERPIN-DIODE %
DURCHLASSVERHALTEN \02
BERECHNUNG DER DURCHLASS-SPANNUNG ] 05
EMITTER-REKOMBINATION UND EFFEKTIVE TRAEGERLEBENSDAUER .108
EMITTER-REKOMBINATION UND DURCHLASS-SPANNUNG .". ] 12
TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER DURCHLASSKENNLINIE 116
RELATION VOM GESPEICHERTER LADUNG UND DURCHLASSSPANNUNG 1 18
EINSCHALTVERHALTEN VON LEISTUNGSDIODEN " 119
DEFINITIONEN ZUM AUSSCHALTVERHALTEN VON LEISTUNGSDIODEN .123 DURCH
LEISTUNGSDIODEN ERZEUGTE SCHALTVERLUSTE 130
VORGANG BEIM ABSCHALTEN VON LEISTUNGSDIODEN .1.134
MODERNE SCHNELLE DIODEN MIT OPTIMIERTEM SCHALTVERHALTEN 143
MOS-GESTEUERTE DIODEN ] 55
AUSBLICK L F IL
3.2 SCHOTTKY-DIODCN , (2
ZUR PHYSIK DES METALL-HALBLEITER-UEBERGANGS Z'Z'Z. 163
KENNLINIENGLEICHUNG DES SCHOTTKY-UEBERGANGS .'.'. 164
AUFBAU VON SCHOTTKY-DIODCN " ] 67
OHM'SCHER SPANNUNGSABFALL DES UNIPOLAREN BAUELEMENTS 168
SCHOTTKY-DIODEN AUS SIC ] 72
3.3 BIPOLARE TRANSISTOREN JYY
FUNKTIONSWEISE DES BIPOLARTRANSISTORS ] 77
AUFBAU DES LEISTUNGSTRANSISTORS 17G
KENNLINIE DES LEISTUNGSTRANSISTORS 180
SPERRVERHALTENDES LEISTUNGSTRANSISTORS LG]
STROMVERSTAERKUNG DES BIPOLARTRANSISTORS 184
BASISAUFWEITUNG, FELDUMVERTEILUNG UND ZWEITER DURCHBRUCH 189 GRENZEN DES
BIPOLARTRANSISTORS 1 92
3.4 THYRISTOREN ,N-,
AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE 193
KENNLINIE DES THYRISTORS ] 96
SPERRVERHALTEN DES THYRISTORS "" I 9 O
IMAGE 4
VII
DIE FUNKTION VON EMITTER-KURZSCHLUESSEN 200
ZUENDARTEN DES THYRISTORS 201
ZUENDAUSBREITUNG 202
FOLGEZUENDUNG - AMPLIFYING GATE 203
LOESCHEN DES THYRISTORS UND FREIVVERDEZEIT 204
DERTRIAC 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'SEHE 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
3.6IGBTS 243
FUNKTIONSWEISE 243
DIE KENNLINIE DES IGBT 246
DAS SCHALTVERHALTEN DES IGBT 247
DIE GRUNDTYPEN PT-IGBT UND NPT-IGBT 250
LADUNGSTRAEGERVERTEILUNG IM IGBT 254
ERHOEHTE LADUNGSTRAEGERINJEKTION IN MODERNEN IGBTS 256
DIE WIRKUNG DER *LOECHERBARRIERE" 262
KOLLEKTORSEITIGE BUFFER-SCHICHTEN 264
DER BEIDSEITIG SPERRLAEHIGE IGBT 266
AUSBLICK 267
4 AUFBAU- UND VERBINDUNGSTECHNIK VON LEISTUNGSBAUELEMENTEN .269 4.1
PROBLEMATIK DER AUFBAU- UND VERBINDUNGSTECHNIK 269
4.2 GEHAEUSEFORMEN 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 GROESSEN 285
IMAGE 5
VIII
EINDIMENSIONALE ERSATZSCHALTBILDER 290
DREIDIMENSIONALES NETZWERK 292
DER TRANSIENTE THERMISCHE WIDERSTAND 293
4.5 PARASITAERE ELEKTRISCHE ELEMENTE IN LEISTUNGSMODULEN 294
PARASITAERE WIDERSTAENDE 295
PARASITAERE INDUKTIVITAETEN 296
PARASITAERE KAPAZITAETEN 300
4.6 ZUVERLAESSIGKEIT 302
ANFORDERUNGEN AN DIE ZUVERLAESSIGKEIT 302
HEISSSPERRDAUERTEST UND GATE-STRESS-TEST 304
HEISSLAGERUNG, TIEFTEMPERATURLAGERUNG 306
SPERRTEST BEI FEUCHTER WAERME 306
TEMPERATURWECHSELTEST 307
LASTWECHSELTEST 307
AUSBLICK 315
5 ZERSTOERUNGSMECHANISMEN IN LEISTUNGSBAUELEMENTEN 319
5.1 DER THERMISCHER DURCHBRUCH - AUSFAELLE DURCH UEBERTEMPERATUR. 319
5.2 UEBERSCHREITEN DER SPERRFAEHIGKEIT 322
5.3 STOSSSTROM 323
5.4 DYNAMISCHER AVALANCHE 327
DYNAMISCHER AVALANCHE IN BIPOLAREN BAUELEMENTEN 327
DYNAMISCHER AVALANCHE IN SCHNELLEN DIODEN 329
5.5 UEBERSCHREITEN DES ABSCHALTBAREN STROMS IN GTOS 339
5.6 KURZSCHLUSS UND LATCH-UP IN IGBTS 340
KURZSCHLUSSVERHALTEN VON IGBTS 340
ABSCHALTEN VON UEBERSTROEMEN UND DYNAMISCHER AVALANCHE 345
5.7 AUSFAELLE DURCH HOEHENSTRAHLUNG 348
5.8 AUSFALLANALYSE 353
6 DURCH BAUELEMENTE VERURSACHTE SCHWINGUNGSEFFEKTE UND
ELEKTROMAGNETISCHE STOERUNGEN 357
6.1 SCHALTUNGS- UND BAUELEMENTBEDINGTE SCHWINGUNGSEFFEKTE 357
FREQUENZBEREICH ELEKTROMAGNETISCHER STOERUNGEN 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 TRAEGERLAUFZEIT-OSZILLATIONEN 366
PLASMA EXTRACTION TRANSIT TIME (PETT) OSZILLATIONEN 366
IMPACT IONISATION TRANSIT TIME (IMPATT) OSZILLATIONEN 374
IMAGE 6
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 339
ANHANG 397
AI BEWEGLICHKEITEN IN SILIZIUM 397
A2 BEWEGLICHKEITEN IN 411-SIC 398
A3 THERMISCHE PARAMETER WICHTIGER MATERIALIEN 399
A4 ELEKTRISCHE PARAMETER WICHTIGER MATERIALIEN 400
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