Leistungselektronische Bauelemente:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin ; Heidelberg ; New York
Springer
2006
|
| Ausgabe: | 2. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Literaturverz. S. 915 - 983. - Früher mehrbd. begrenztes Werk. - 1. Aufl. u.d.T.: Schröder, Dierk: Elektrische Antriebe 1. Aufl. u.d.T. Schröder, Dierk: Elektrische Antriebe Früher mehrbd. begrenztes Werk Auch als Internetausgabe |
| Beschreibung: | XX, 1001 S. Ill., graph. Darst. 24 cm, 700 gr. |
| ISBN: | 3540287280 9783540287285 |
Internformat
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|---|---|
| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Einleitung 1
1 Halbleiterphysik 5
1.1 Grundbegriffe 5
1.1.1 Definition des Halbleiters 5
1.1.2 Idealer Halbleiter, Elektronen und Löcher 5
1.1.3 Energiespektrum der Elektronen 8
1.2 Halbleiter Eigenleitung 10
1.2.1 Statistik der Ladungsträgerkonzentration bei Eigenleitung ... 10
1.2.2 Fermi Niveau und Bandlücke 16
1.3 Störstellenleitung durch Dotierung 17
1.3.1 n Dotierung 18
1.3.2 p Dotierung 22
1.3.3 Temperaturverhalten dotierter Halbleiter 25
1.3.4 Reduktion der Bandlücke bei hohen Dotierungen 28
1.4 Rekombinationsvorgänge, Lebensdauer 29
1.4.1 Dielektrische Relaxation (Majoritätsträger) 29
1.4.2 Lebensdauer von Ladungsträger Paaren 30
1.4.3 Rekombination mittels Rekombinationszentren 32
1.4.4 Auger Rekombination 35
1.4.5 Physikalische Modellbildung und Lebensdauern 37
1.4.6 Stoßionisation und Lawineneffekt 39
1.5 Streuprozesse freibeweglicher Ladungsträger 42
1.5.1 Arten von Streuprozessen 43
1.5.2 Driftgeschwindigkeiten und Beweglichkeiten 43
1.5.3 Streuung am Gitter und an Verunreinigungen 46
1.5.3.1 Gitterstreuung 46
1.5.3.2 Störstellenstreuung 47
1.5.3.3 Kombinationen von Gitter und Störstellenstreuung 47
1.5.4 Elektronen Löcher Streuung 49
1.5.4.1 Herkömmliche Theorie 49
1.5.4.2 Theorie nach Mnatsakanov 51
XII Inhaltsverzeichnis
1.6 Grundgleichungen der Halbleiterbauelemente 54
G. Wachutka ¦
1.6.1 Problemstellung 54
1.6.2 Elektrische Ladung und elektrisches Potential 55
1.6.3 Trägerbilanzgleichungen 56
1.6.4 Isotherme Stromtransportmodelle 59
1.6.4.1 Stromtransport durch Drift im elektrischen Feld 59
1.6.4.2 Stromtransport durch Trägerdiffusion 60
1.6.4.3 Kombiniertes Drift Diffusions Modell 60
1.6.5 Theoretische Begründung des Drift Diffusions Modells 61
1.6.6 Elektrothermisches Transportmodell 64
1.6.7 Einfluß statischer Magnetfelder (Hall Effekt) 66
1.7 Exemplarische Anwendungen der Halbleiter Modellgleichungen . 68
1.7.1 Elektrische Leitfähigkeit dotierter Halbleiter 68
1.7.2 Lebensdauer von Minoritätsträgern 70
2 Diode 73
2.1 Ungestörter pn Übergang 73
2.1.1 Schottkysche Parabelnäherung 76
2.1.2 Linearer pn Übergang 81
2.1.3 Berechnung über das Stromdichte Gleichgewicht 83
2.2 pn Übergang mit äußerer Spannung 85
2.2.1 pn Übergang bei Beanspruchung in Sperrichtung 85
2.2.2 pn Übergang bei Beanspruchung in Durchlaßrichtung 87
2.2.3 Trägerdichteverlauf in der Raumladungszone 88
2.3 Dioden Kennlinie 92
2.4 Grenzen des pn Übergangs im Sperrzustand 103
2.4.1 Thermischer Durchbruch 103
2.4.2 Statischer Lawinendurchbruch 105
2.4.3 Zener Effekt (innerer Feldeffekt) 106
2.5 Leistungsdiode Einführung 106
2.6 Silizium Leistungsdioden 120
J. Lutz i
2.6.1 Einleitung 120
2.6.2 Aufbau von Si Leistungsdioden 121
2.6.3 Kennlinie der pin Diode 123
2.6.4 Sperrspannung der pin Diode 124
2.6.4.1 Dreiecksförmiger Feldverlauf 126
2.6.4.2 Trapezförmiger Feldverlauf 130
2.6.5 Durchlaßverhalten 132
2.6.5.1 Ladungsträgerverteilung in der niedrig dotierten Zone 132
2.6.5.2 Berechnung der Durchlaßspannung in Hallscher Näherung . . . 135 ¦
2.6.5.3 Berücksichtigung der Emitter Rekombination durch eine effektive
Trägerlebensdauer 138
Inhaltsverzeichnis XIII
2.6.5.4 Berücksichtigung des in Emittergebieten rekombinierenden
Stroms 139
2.6.5.5 Temperaturabhängigkeit der Durchlaßkennlinie 142
2.6.6 Relation zwischen gespeicherter Ladung und Durchlaßspannung 143
2.6.7 Rekombinationszentren 145
2.6.7.1 Gold und Platin als Rekombinationszentren 145
2.6.7.2 Strahlungsinduzierte Rekombinationszentren 147
2.6.8 Einschaltverhalten von Leistungsdioden 149
2.6.9 Abschaltverhalten von Leistungsdioden 153
2.6.9.1 Definitionen zum Abschaltverhalten von Leistungsdioden .... 153
2.6.9.2 Durch Leistungsdioden erzeugte Schaltverluste 159
2.6.9.3 Schutzbeschaltung von Dioden 162
2.6.9.4 Vorgang beim Abschalten von Leistungsdioden 171
2.6.10 Moderne schnelle Dioden mit optimiertem Schaltverhalten . . . 178
2.6.10.1 Dioden mit Dotierungsstufe in der niedrig dotierten Zone .... 178
2.6.10.2 Dioden mit Anodenstrukturen zur Verbesserung des Abschaltver¬
haltens 179
2.6.10.3 EMCON Diode 182
2.6.10.4 CAL Diode 184
2.6.10.5 Hybrid Diode 186
2.6.10.6 Tandem Diode 188
2.6.10.7 MOS gesteuerte Dioden 189
2.6.11 Ausblick 194
2.7 Dynamischer Avalanche 195
J. Lutz
2.7.1 Dynamischer Avalanche in schnellen Dioden 196
2.8 Höhenstrahlung 205
3 Bipolarer Transistor (Injektionstransistor) 207
3.1 Bipolarer Signaltransistor 207
3.2 Transistor Modelle 215
3.2.1 Ebers Moll Modell 215
3.2.2 Gummel Poon Modell 218
3.3 Bipolarer Leistungstransistor 226
3.3.1 Einführung 226
3.3.2 Hochinjektions und Rekombinationseinflüsse beim Leistungs¬
transistor 231
3.3.3 Basisaufweitung durch Abbau der Basis Kollektor Raumladungs¬
zone 237
3.3.4 Quasisättigung und Modellbildung 240
3.3.5 Basisaufweitung durch Geschwindigkeitsbeschränkung der La¬
dungsträger 244
3.3.6 Basiswiderstand und Emitterrandverdrängung 245
3.3.7 Sperrverhalten des Leistungstransistors 247
XIV Inhaltsverzeichnis
3.3.8 Schaltverhalten des Leistungstransistors 249
3.3.9 „Second Breakdown beim Leistungstransistor 256
3.4 Abschließende Bemerkungen zum Leistungstransistor 261
4 Thyristor 262
4.1 Prinzip des Thyristors 262
4.2 Zwei Transistor Ersatzschaltbild des Thyristors 268
4.2.1 Blockierbereich 270
4.2.2 Sperrbereich 274
4.2.3 Durchlaßbereich 277
4.3 Dynamisches Verhalten des Thyristors 279
4.3.1 Überkopfzünden 280
4.3.2 Einschalten mit Steuerstrom 280
4.3.3 Phänomenologische Darstellung des Einschaltvorgangs 284
4.3.4 Zündausbreitungseffekt, ±Z /di Grenzen 285
4.3.5 Ausschalten durch Abkommutieren des Anodenstromes 288
4.3.6 dU/dt Grenzen, Emitterkurzschlüsse, Freiwerdezeit, GATT ... 293
4.4 Dimensionierung von Thyristoren 296
4.4.1 Auslegung der Spannungsfestigkeit 296
4.4.2 Durchlaß und Schaltverluste 299
4.5 Frequenzthyristor, Dimensionierungskriterien 301
4.6 Unsymmetrischer Thyristor (ASCR) und rückwärtsleitender Thy¬
ristor (RCT) 303
4.7 Zünd , Ansteuerschaltungen und Steuersätze 306
4.7.1 Zündschaltungen 306
4.7.2 Steuersätze 310
4.8 Aktuelle Entwicklungen bei hochsperrenden Thyristoren .... 315
H. J. Schulze, F. J. Niedernostheide
4.8.1 Einleitung 315
4.8.2 Integration der Ansteuer und Schutzfunktionen 317
4.8.2.1 Lichtzündung und Amplifying Gate Struktur 317
4.8.2.2 Überspannungsschutzfunktion 320
4.8.2.3 d!7/di Schutzfunktion 322
4.8.2.4 Freiwerdeschutzfunktion 323
4.8.3 Herstellung 324
4.8.4 Elektrische Eigenschaften 325
4.8.4.1 Durchlaß , Sperr und Ausschaltverhalten 326
4.8.5 Integrierte Funktionen 328
4.8.5.1 Lichtzündung und Überspannungsschutz 328
4.8.5.2 dU/dt Schutz 329
4.8.5.3 Freiwerdeschutz 329
4.9 Diac und Triac 333
Inhaltsverzeichnis XV
5 Abschaltbare bipolare Halbleiter (GTO, GCT) 337
5.1 Einleitung GTO 337
5.1.1 Anodenshorts beim GTO 342
5.1.2 Einfluß der Gate Kathoden Struktur (p2 Basis) beim GTO ... 344
5.2 Beschattung des GTO 346
: 5.3 GTO und Gate Elektronik 349
5.4 Grundschaltung zum Erzeugen des Gatestroms 349
5.5 Experimentelle Ein und Ausschaltvorgänge von Klein GTOs . . 353
5.6 Hochleistungs GTOs 359
H. Grüning
5.6.1 Eigenschaften von Hochleistungs GTOs 363
5.6.1.1 Haltestrom 364
5.6.1.2 Zündstrom 364
5.6.1.3 Durchlaßkennlinien 365
5.6.1.4 Einschaltvorgang und Einschaltverluste 366
5.6.1.5 Gate Abschaltstrom und Speicherzeit 369
5.6.1.6 Ausschaltverluste und Beschaltung 370
5.6.1.7 Konsequenzen für den Aufbau von Hochleistungs GTO Umrichtern 371
5.6.2 Grenzverhalten des GTO 375
5.6.2.1 Einfluß der lateralen Struktur 375
5.6.2.2 Skalierverhalten der GTOs 377
5.6.2.3 Stromverteilung während des Abschaltvorganges 378
5.6.2.4 Beeinflussung der Abschaltfähigkeit mittelgroßer GTOs durch
veränderte Ansteuerung 379
5.6.2.5 Beeinflussung der Abschaltfähigkeit großer GTOs durch veränder¬
te Ansteuerung 382
5.6.2.6 Beeinflussung der Einschaltfähigkeit durch veränderte Ansteuerung 385
5.7 Gate Commutated Thyristor GCT 391
H. Grüning
5.7.1 Aufbau einer niederinduktiven Ansteuerung 394
5.7.2 Auswirkungen auf den Gültigkeitsbereich des Zwei Transistor
Ersatzschaltbildes 396
5.7.3 Auswirkungen auf den Hauptkreis des Spannungszwischenkreis
umrichters 397
5.7.4 Wafer Design asymmetrischer GCTs 399
5.7.5 Rückwärts leitende GCTs 400
5.7.6 Rückwärts sperrende GCTs 402
5.7.6.1 Realisierung durch Einbau einer separaten Diode ins GCT Gehäuse 402
5.7.6.2 Realisierung eines monolithischen, rückwärts sperrenden GCT . 403
5.7.7 Eigenschaften von asymmetrischen und rückwärts leitenden GCTs 404
5.7.7.1 Haltestrom 405
5.7.7.2 Zündstrom 405
5.7.7.3 Durchlaßkennlinien 406
5.7.7.4 Einschaltvorgang und Einschaltverluste 407
XVI Inhaltsverzeichnis
5.7.7.5 Gate Abschaltstrom und Speicherzeit 409
5.7.7.6 Ausschaltverluste und Schaltgeschwindigkeit 412
5.7.8 Eigenschaften von rückwärts sperrenden GCTs 414
5.7.8.1 GCT mit getrennter Diode 414
5.7.8.2 Monolithisch integrierter GCT 415
5.7.8.3 Auswirkungen auf die Anwendung 416
5.7.9 Grenzverhalten des GCT 419
5.7.10 Einordnung des GCT 427
6 Unipolare Bauelemente 429
6.1 Feldeffekt Transistoren (Einführung) 429
6.2 Aufbau und Funktion des JFET 430
6.3 Grundlegende Dimensionierungsregeln für den JFET 434
6.4 Metal Insulator Semiconductor Struktur (MIS) 438
6.5 Schottky Diode 450
6.5.1 Vereinfachte Bänderstruktur des Metall Halbleiter Übergangs . 450
6.5.2 Stromtransport 452
6.5.3 Kennliniengleichung 453
6.5.4 Schaltverhalten, Nennwerte 456
6.6 MOSFET und Leistungs MOSFET (Einführung und prinzipielle
Funktion) 458
6.6.1 MOSFET (Einführung) 458
6.6.2 Vom Signal zum Leistungs MOSFET 458
6.7 Schaltverhalten des Leistungs MOSFET 470
6.7.1 Theorie des Schaltverhaltens 470
6.7.2 Schaltverhalten in der Praxis 477
6.8 Auslegungsüberlegungen zum Leistungs MOSFET 487
6.9 Ansteuerung und Schutz von Leistungs MOSFETs 488
6.9.1 Ansteuerschaltungen 488
6.9.2 Schutzbeschaltungen 491
6.10 Kompensationsbauelemente 494
G. Deboy
6.10.1 Einleitung 494
6.10.2 Konzepte für Hochvoltschalter und deren theoretische Betrachtung 494
6.10.3 Kompensationsbaulemente, theoretische Überlegungen 499
6.10.4 Herstelltechnologie für Kompensationsbauelemente 504
6.10.5 Eigenschaften von Kompensationsbauelementen 506
6.10.6 Vorteile von Kompensationsbauelementen in der Applikation . . 511
6.11 Static Induction Transistor (SIT) 514
6.12 Monolithische Bidirektionale Schalter (MBS) 520
R. Sittig
6.12.1 Einleitung 520
6.12.2 Struktur des Monolithischen Bidirektionalen Schalters 521
6.12.3 Funktion der Stegstrukturen 522
Inhaltsverzeichnis XVII
6.12.4 Sperrverhalten 524
: 6.12.5 Durchlaßverhalten 527
6.12.6 Strombegrenzung und Pinch Off 531
6.12.7 Abschaltverhalten 533
6.12.8 Abschätzungen zum dynamischen Avalanche 536
6.12.9 Versuch einer zusammenfassenden Beurteilung 538
7 Kombinationen von uni und bipolaren Leistungsbauele¬
menten 540
7.1 Einführung und Überblick 540
7.2 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) 550
7.2.1 Prinzipielle Struktur des IGBT 550
7.2.2 Sperr und Blockierbetrieb, reale Bauformen des IGBT 552
7.2.3 Verhalten im Durchlaßbetrieb 554
7.2.4 Analyse des Schalt Verhaltens von IGBTs 560
7.2.5 Experimentelle Schaltvorgänge 570
7.2.6 Latch Up 576
7.2.7 Ansteuerung und Schutz von IGBTs 577
7.2.8 Typische Daten von IGBTs 578
7.3 IGBT Abwandlungen 579
7.4 Neue Entwicklungen bei IGBTs 594
A. Porst
7.4.1 Einleitung 594
7.4.2 Statische Eigenschaften 595
7.4.3 Dynamisches Verhalten 600
7.4.3.1 Ausschalten 600
7.4.3.2 Einschalten 606
7.4.4 Verhalten im Kurzschlußfall 608
7.4.5 Zusammenfassung 615
8 Smart Power Bauelemente 617
Ch. Xu
8.1 Laterale Leistungsbauelemente und Smart Power Ansatz .... 617
D. Schröder
8.2 Power IC Technologien 623
8.2.1 Smart Discrete Technologie 623
8.2.2 BCD Technologie 625
8.2.3 HV CMOS Technologie 627
8.2.4 Weitere Technologien 630
8.2.5 Montagetechnik 632
8.3 Power IC Funktionen 633
8.3.1 Schutzfunktionen 633
8.3.1.1 Übertemperaturschutz 633
8.3.1.2 Kurzschluß Schutz 636
XVIII Inhaltsverzeichnis
8.3.2 Diagnose und Current Sense 640
8.3.3 EMV optimiertes Schalten 645
8.3.4 Weitere Funktionen 647
8.4 Entwurfsmethodik 648
8.5 Hochstrom PROFET 650
8.6 Verhaltensmodelle 653
8.7 Zuverlässigkeiten 656
8.8 Ausblick über die weitere Entwicklung 659
9 Silizium Carbid SiC und andere Materialien 661
9.1 Einführung 661
9.1.1 Beweglichkeit von Ladungsträgern in SiC 667
9.1.2 Anisotrope Beweglichkeit 671
9.1.3 Sättigungsgeschwindigkeiten 672
9.1.4 Unvollständige Ionisation 673
9.1.5 Stoßionisation 680
9.1.6 Diffusionsspannung 680
9.1.7 Lebensdauer von Minoritätsträgern 681
9.2 SiC Bauelemente Technologie 683
9.2.1 Defekte bei SiC, zusätzlich zu MPD 685
9.2.2 Zuverlässigkeit der SiC MOS Strukturen 686
9.3 Schnelle SiC Dioden 687
9.3.1 SiC Schottky Dioden 687
9.3.2 SiC Merged pin Schottky Diode (MPS Diode) 690
9.3.3 Bipolare SiC pn Dioden 692
9.3.4 Zusammenfassung und Ausblick SiC Dioden 694
9.4 Steuerbare SiC Leistungshalbleiter 695
9.4.1 Steuerbare unipolare Leistungshalbleiter 696
9.4.2 Steuerbare bipolare Leistungshalbleiter 700
9.4.3 Bipolare SiC Transistoren 700
9.4.4 Bipolare SiC JFETs 702
9.4.5 SIAFET 703
9.4.6 MOS gesteuerte unipolare Leistungshalbleiter 704
10 Aufbau und Verbindungstechnik in der Leistungselektro¬
nik 706
U. Scheuermann
10.1 Einleitung 706
10.2 Grundlagen der Aufbau und Verbindungstechnik 707
10.2.1 Thermische Eigenschaften von Leistungskomponenten 707
10.2.2 Elektrische Eigenschaften von Leistungskomponenten 720
10.2.3 Zuverlässigkeit von Leistungskomponenten 728
10.3 Architektur von Leistungskomponenten 738
Inhaltsverzeichnis XIX
10.3.1 Diskrete Leistungsgehäuse 740
10.3.1.1 Die TO Familie und ihre Verwandten 740
10.3.1.2 Die Scheibenzelle 744
10.3.2 Leistungsmodule 749
10.3.3 Intelligente Leistungsmodule 761
10.3.4 Leistungselektronische Subsysteme und Systeme 768
10.4 Zukünftige Herausforderungen an die Aufbau und Verbindungs¬
technik 772
11 Physikalische Modelle für die Schaltungssimulation 778
H. Kuhn
11.1 Einführung 778
11.1.1 Simulation und Modelle in der Leistungselektronik 779
11.1.2 Schaltungssimulation und Modellbildung 781
11.1.3 Physikalische Modelle 783
11.2 Modell der Leistungsdiode 784
11.2.1 Modularer Modellaufbau 784
11.2.2 Modellierung der Randzonen 787
11.2.3 Modellierung der Driftzone 791
11.2.4 Gesamtmodell 804
11.2.5 Anwendung des Diodenmodells 806
11.3 Modelle für GTO und GCT 807
11.3.1 GTO und GCT: Gemeinsamkeiten und Unterschiede 807
11.3.2 GCT: Modularer Modellaufbau 809
11.3.3 GCT: Modellierung der Pufferschicht 811
11.3.4 Modellierung des Wide Base Transistors (p Basis) 815
11.3.5 GCT: Gesamtmodell 818
11.3.6 GCT: Simulation von Schalttransienten und Kennlinie 820
11.3.7 Anwendung: Serienschaltung von GCTs 832
11.4 Modellierung des IGBT 834
11.4.1 Vorbemerkungen 834
11.4.2 IGBT Modularer Modellaufbau 835
11.4.3 MOSFET Steuerkopf 837
11.4.4 IGBT: Gesamtmodell 844
11.4.5 Modellvalidierung 845
12 Hochdynamische Stromerfassung in der Leistungselektro¬
nik 849
P. Hofer Noser, N. Karrer
12.1 Einführung 849
12.2 Anforderungen an Strommeßgeräte für die Leistungselektronik . 850
12.3 Übersicht über die bekanntesten Strommeßverfahren 851
12.4 Meßgeräte für die hochfrequente Strommessung 852
12.4.1 Koaxialer Meßwiderstand (Coaxial Shunt) (DC...GHz) 852
XX Inhaltsverzeichnis
12.4.2 Impulsübertrager (CT) (Hz...MHz) 854
12.4.3 Eta Prinzip (DC CT) (DC.MHz) 863
12.4.4 Kompensationswandler (Closed Loop Probe) (DC.MHz) . . . 867
12.4.5 Rogowskigürtel (Rogowski Coil) (Hz...MHz) 868
12.4.6 Luft CT (Air CoredCT) (Hz...MHz) 871
12.4.7 HOKA Prinzip (HOKA Principle) (DC.MHz) 873
12.5 Übertragungsfunktion und Signalverzögerung 876
12.6 Ausblick 878
12.7 Strommessung in der Praxis 878
Variablenübersicht 884
Kapitel 1 884
Kapitel 2 887
Kapitel 3 891
Kapitel 4 894
Kapitel 5 897
Kapitel 6 899
Kapitel 7 903
Kapitel 8 905
Kapitel 9 907
Kapitel 10 909
Kapitel 11 910
Kapitel 12 913
Literaturverzeichnis 915
Allgemeine Literatur 915
Kapitel 1 (Halbleiterphysik) 918
Kapitel 2 (Diode) 923
Kapitel 3 (Bipolarer Transistor) 928
Kapitel 4, 5 (Thyristor, GTO, GCT) 932
Kapitel 6 (Unipolare Bauelemente) 940
Kapitel 7 (IGBT, MCT, FCTh, SITh) 946
Kapitel 8 (Smart Power Bauelemente) 955
Kapitel 9 (Silizium Carbid SiC) 963
Kapitel 10 (Aufbau und Verbindungstechnik) 972
Kapitel 11 (Physikalische Modelle) 978
Kapitel 12 (Hochdynamische Stromerfassung) 982
Stichwortverzeichnis 984
|
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 1
1 Halbleiterphysik 5
1.1 Grundbegriffe 5
1.1.1 Definition des Halbleiters 5
1.1.2 Idealer Halbleiter, Elektronen und Löcher 5
1.1.3 Energiespektrum der Elektronen 8
1.2 Halbleiter Eigenleitung 10
1.2.1 Statistik der Ladungsträgerkonzentration bei Eigenleitung . 10
1.2.2 Fermi Niveau und Bandlücke 16
1.3 Störstellenleitung durch Dotierung 17
1.3.1 n Dotierung 18
1.3.2 p Dotierung 22
1.3.3 Temperaturverhalten dotierter Halbleiter 25
1.3.4 Reduktion der Bandlücke bei hohen Dotierungen 28
1.4 Rekombinationsvorgänge, Lebensdauer 29
1.4.1 Dielektrische Relaxation (Majoritätsträger) 29
1.4.2 Lebensdauer von Ladungsträger Paaren 30
1.4.3 Rekombination mittels Rekombinationszentren 32
1.4.4 Auger Rekombination 35
1.4.5 Physikalische Modellbildung und Lebensdauern 37
1.4.6 Stoßionisation und Lawineneffekt 39
1.5 Streuprozesse freibeweglicher Ladungsträger 42
1.5.1 Arten von Streuprozessen 43
1.5.2 Driftgeschwindigkeiten und Beweglichkeiten 43
1.5.3 Streuung am Gitter und an Verunreinigungen 46
1.5.3.1 Gitterstreuung 46
1.5.3.2 Störstellenstreuung 47
1.5.3.3 Kombinationen von Gitter und Störstellenstreuung 47
1.5.4 Elektronen Löcher Streuung 49
1.5.4.1 Herkömmliche Theorie 49
1.5.4.2 Theorie nach Mnatsakanov 51
XII Inhaltsverzeichnis
1.6 Grundgleichungen der Halbleiterbauelemente 54
G. Wachutka ¦
1.6.1 Problemstellung 54
1.6.2 Elektrische Ladung und elektrisches Potential 55
1.6.3 Trägerbilanzgleichungen 56
1.6.4 Isotherme Stromtransportmodelle 59
1.6.4.1 Stromtransport durch Drift im elektrischen Feld 59
1.6.4.2 Stromtransport durch Trägerdiffusion 60
1.6.4.3 Kombiniertes Drift Diffusions Modell 60
1.6.5 Theoretische Begründung des Drift Diffusions Modells 61
1.6.6 Elektrothermisches Transportmodell 64
1.6.7 Einfluß statischer Magnetfelder (Hall Effekt) 66
1.7 Exemplarische Anwendungen der Halbleiter Modellgleichungen . 68
1.7.1 Elektrische Leitfähigkeit dotierter Halbleiter 68
1.7.2 Lebensdauer von Minoritätsträgern 70
2 Diode 73
2.1 Ungestörter pn Übergang 73
2.1.1 Schottkysche Parabelnäherung 76
2.1.2 Linearer pn Übergang 81
2.1.3 Berechnung über das Stromdichte Gleichgewicht 83
2.2 pn Übergang mit äußerer Spannung 85
2.2.1 pn Übergang bei Beanspruchung in Sperrichtung 85
2.2.2 pn Übergang bei Beanspruchung in Durchlaßrichtung 87
2.2.3 Trägerdichteverlauf in der Raumladungszone 88
2.3 Dioden Kennlinie 92
2.4 Grenzen des pn Übergangs im Sperrzustand 103
2.4.1 Thermischer Durchbruch 103
2.4.2 Statischer Lawinendurchbruch 105
2.4.3 Zener Effekt (innerer Feldeffekt) 106
2.5 Leistungsdiode Einführung 106
2.6 Silizium Leistungsdioden 120
J. Lutz i
2.6.1 Einleitung 120
2.6.2 Aufbau von Si Leistungsdioden 121
2.6.3 Kennlinie der pin Diode 123
2.6.4 Sperrspannung der pin Diode 124
2.6.4.1 Dreiecksförmiger Feldverlauf 126
2.6.4.2 Trapezförmiger Feldverlauf 130
2.6.5 Durchlaßverhalten 132
2.6.5.1 Ladungsträgerverteilung in der niedrig dotierten Zone 132
2.6.5.2 Berechnung der Durchlaßspannung in Hallscher Näherung . . . 135 ¦
2.6.5.3 Berücksichtigung der Emitter Rekombination durch eine effektive
Trägerlebensdauer 138
Inhaltsverzeichnis XIII
2.6.5.4 Berücksichtigung des in Emittergebieten rekombinierenden
Stroms 139
2.6.5.5 Temperaturabhängigkeit der Durchlaßkennlinie 142
2.6.6 Relation zwischen gespeicherter Ladung und Durchlaßspannung 143
2.6.7 Rekombinationszentren 145
2.6.7.1 Gold und Platin als Rekombinationszentren 145
2.6.7.2 Strahlungsinduzierte Rekombinationszentren 147
2.6.8 Einschaltverhalten von Leistungsdioden 149
2.6.9 Abschaltverhalten von Leistungsdioden 153
2.6.9.1 Definitionen zum Abschaltverhalten von Leistungsdioden . 153
2.6.9.2 Durch Leistungsdioden erzeugte Schaltverluste 159
2.6.9.3 Schutzbeschaltung von Dioden 162
2.6.9.4 Vorgang beim Abschalten von Leistungsdioden 171
2.6.10 Moderne schnelle Dioden mit optimiertem Schaltverhalten . . . 178
2.6.10.1 Dioden mit Dotierungsstufe in der niedrig dotierten Zone . 178
2.6.10.2 Dioden mit Anodenstrukturen zur Verbesserung des Abschaltver¬
haltens 179
2.6.10.3 EMCON Diode 182
2.6.10.4 CAL Diode 184
2.6.10.5 Hybrid Diode 186
2.6.10.6 Tandem Diode 188
2.6.10.7 MOS gesteuerte Dioden 189
2.6.11 Ausblick 194
2.7 Dynamischer Avalanche 195
J. Lutz
2.7.1 Dynamischer Avalanche in schnellen Dioden 196
2.8 Höhenstrahlung 205
3 Bipolarer Transistor (Injektionstransistor) 207
3.1 Bipolarer Signaltransistor 207
3.2 Transistor Modelle 215
3.2.1 Ebers Moll Modell 215
3.2.2 Gummel Poon Modell 218
3.3 Bipolarer Leistungstransistor 226
3.3.1 Einführung 226
3.3.2 Hochinjektions und Rekombinationseinflüsse beim Leistungs¬
transistor 231
3.3.3 Basisaufweitung durch Abbau der Basis Kollektor Raumladungs¬
zone 237
3.3.4 Quasisättigung und Modellbildung 240
3.3.5 Basisaufweitung durch Geschwindigkeitsbeschränkung der La¬
dungsträger 244
3.3.6 Basiswiderstand und Emitterrandverdrängung 245
3.3.7 Sperrverhalten des Leistungstransistors 247
XIV Inhaltsverzeichnis
3.3.8 Schaltverhalten des Leistungstransistors 249
3.3.9 „Second Breakdown" beim Leistungstransistor 256
3.4 Abschließende Bemerkungen zum Leistungstransistor 261
4 Thyristor 262
4.1 Prinzip des Thyristors 262
4.2 Zwei Transistor Ersatzschaltbild des Thyristors 268
4.2.1 Blockierbereich 270
4.2.2 Sperrbereich 274
4.2.3 Durchlaßbereich 277
4.3 Dynamisches Verhalten des Thyristors 279
4.3.1 Überkopfzünden 280
4.3.2 Einschalten mit Steuerstrom 280
4.3.3 Phänomenologische Darstellung des Einschaltvorgangs 284
4.3.4 Zündausbreitungseffekt, ±Z"/di Grenzen 285
4.3.5 Ausschalten durch Abkommutieren des Anodenstromes 288
4.3.6 dU/dt Grenzen, Emitterkurzschlüsse, Freiwerdezeit, GATT . 293
4.4 Dimensionierung von Thyristoren 296
4.4.1 Auslegung der Spannungsfestigkeit 296
4.4.2 Durchlaß und Schaltverluste 299
4.5 Frequenzthyristor, Dimensionierungskriterien 301
4.6 Unsymmetrischer Thyristor (ASCR) und rückwärtsleitender Thy¬
ristor (RCT) 303
4.7 Zünd , Ansteuerschaltungen und Steuersätze 306
4.7.1 Zündschaltungen 306
4.7.2 Steuersätze 310
4.8 Aktuelle Entwicklungen bei hochsperrenden Thyristoren . 315
H. J. Schulze, F. J. Niedernostheide
4.8.1 Einleitung 315
4.8.2 Integration der Ansteuer und Schutzfunktionen 317
4.8.2.1 Lichtzündung und Amplifying Gate Struktur 317
4.8.2.2 Überspannungsschutzfunktion 320
4.8.2.3 d!7/di Schutzfunktion 322
4.8.2.4 Freiwerdeschutzfunktion 323
4.8.3 Herstellung 324
4.8.4 Elektrische Eigenschaften 325
4.8.4.1 Durchlaß , Sperr und Ausschaltverhalten 326
4.8.5 Integrierte Funktionen 328
4.8.5.1 Lichtzündung und Überspannungsschutz 328
4.8.5.2 dU/dt Schutz 329
4.8.5.3 Freiwerdeschutz 329
4.9 Diac und Triac 333
Inhaltsverzeichnis XV
5 Abschaltbare bipolare Halbleiter (GTO, GCT) 337
5.1 Einleitung GTO 337
5.1.1 Anodenshorts beim GTO 342
5.1.2 Einfluß der Gate Kathoden Struktur (p2 Basis) beim GTO . 344
5.2 Beschattung des GTO 346
: 5.3 GTO und Gate Elektronik 349
5.4 Grundschaltung zum Erzeugen des Gatestroms 349
5.5 Experimentelle Ein und Ausschaltvorgänge von Klein GTOs . . 353
5.6 Hochleistungs GTOs 359
H. Grüning
5.6.1 Eigenschaften von Hochleistungs GTOs 363
5.6.1.1 Haltestrom 364
5.6.1.2 Zündstrom 364
5.6.1.3 Durchlaßkennlinien 365
5.6.1.4 Einschaltvorgang und Einschaltverluste 366
5.6.1.5 Gate Abschaltstrom und Speicherzeit 369
5.6.1.6 Ausschaltverluste und Beschaltung 370
5.6.1.7 Konsequenzen für den Aufbau von Hochleistungs GTO Umrichtern 371
5.6.2 Grenzverhalten des GTO 375
5.6.2.1 Einfluß der lateralen Struktur 375
5.6.2.2 Skalierverhalten der GTOs 377
5.6.2.3 Stromverteilung während des Abschaltvorganges 378
5.6.2.4 Beeinflussung der Abschaltfähigkeit mittelgroßer GTOs durch
veränderte Ansteuerung 379
5.6.2.5 Beeinflussung der Abschaltfähigkeit großer GTOs durch veränder¬
te Ansteuerung 382
5.6.2.6 Beeinflussung der Einschaltfähigkeit durch veränderte Ansteuerung 385
5.7 Gate Commutated Thyristor GCT 391
H. Grüning
5.7.1 Aufbau einer niederinduktiven Ansteuerung 394
5.7.2 Auswirkungen auf den Gültigkeitsbereich des Zwei Transistor
Ersatzschaltbildes 396
5.7.3 Auswirkungen auf den Hauptkreis des Spannungszwischenkreis
umrichters 397
5.7.4 Wafer Design asymmetrischer GCTs 399
5.7.5 Rückwärts leitende GCTs 400
5.7.6 Rückwärts sperrende GCTs 402
5.7.6.1 Realisierung durch Einbau einer separaten Diode ins GCT Gehäuse 402
5.7.6.2 Realisierung eines monolithischen, rückwärts sperrenden GCT . 403
5.7.7 Eigenschaften von asymmetrischen und rückwärts leitenden GCTs 404
5.7.7.1 Haltestrom 405
5.7.7.2 Zündstrom 405
5.7.7.3 Durchlaßkennlinien 406
5.7.7.4 Einschaltvorgang und Einschaltverluste 407
XVI Inhaltsverzeichnis
5.7.7.5 Gate Abschaltstrom und Speicherzeit 409
5.7.7.6 Ausschaltverluste und Schaltgeschwindigkeit 412
5.7.8 Eigenschaften von rückwärts sperrenden GCTs 414
5.7.8.1 GCT mit getrennter Diode 414
5.7.8.2 Monolithisch integrierter GCT 415
5.7.8.3 Auswirkungen auf die Anwendung 416
5.7.9 Grenzverhalten des GCT 419
5.7.10 Einordnung des GCT 427
6 Unipolare Bauelemente 429
6.1 Feldeffekt Transistoren (Einführung) 429
6.2 Aufbau und Funktion des JFET 430
6.3 Grundlegende Dimensionierungsregeln für den JFET 434
6.4 Metal Insulator Semiconductor Struktur (MIS) 438
6.5 Schottky Diode 450
6.5.1 Vereinfachte Bänderstruktur des Metall Halbleiter Übergangs . 450
6.5.2 Stromtransport 452
6.5.3 Kennliniengleichung 453
6.5.4 Schaltverhalten, Nennwerte 456
6.6 MOSFET und Leistungs MOSFET (Einführung und prinzipielle
Funktion) 458
6.6.1 MOSFET (Einführung) 458
6.6.2 Vom Signal zum Leistungs MOSFET 458
6.7 Schaltverhalten des Leistungs MOSFET 470
6.7.1 Theorie des Schaltverhaltens 470
6.7.2 Schaltverhalten in der Praxis 477
6.8 Auslegungsüberlegungen zum Leistungs MOSFET 487
6.9 Ansteuerung und Schutz von Leistungs MOSFETs 488
6.9.1 Ansteuerschaltungen 488
6.9.2 Schutzbeschaltungen 491
6.10 Kompensationsbauelemente 494
G. Deboy
6.10.1 Einleitung 494
6.10.2 Konzepte für Hochvoltschalter und deren theoretische Betrachtung 494
6.10.3 Kompensationsbaulemente, theoretische Überlegungen 499
6.10.4 Herstelltechnologie für Kompensationsbauelemente 504
6.10.5 Eigenschaften von Kompensationsbauelementen 506
6.10.6 Vorteile von Kompensationsbauelementen in der Applikation . . 511
6.11 Static Induction Transistor (SIT) 514
6.12 Monolithische Bidirektionale Schalter (MBS) 520
R. Sittig
6.12.1 Einleitung 520
6.12.2 Struktur des Monolithischen Bidirektionalen Schalters 521
6.12.3 Funktion der Stegstrukturen 522
Inhaltsverzeichnis XVII
6.12.4 Sperrverhalten 524
: 6.12.5 Durchlaßverhalten 527
6.12.6 Strombegrenzung und Pinch Off 531
6.12.7 Abschaltverhalten 533
6.12.8 Abschätzungen zum dynamischen Avalanche 536
6.12.9 Versuch einer zusammenfassenden Beurteilung 538
7 Kombinationen von uni und bipolaren Leistungsbauele¬
menten 540
7.1 Einführung und Überblick 540
7.2 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) 550
7.2.1 Prinzipielle Struktur des IGBT 550
7.2.2 Sperr und Blockierbetrieb, reale Bauformen des IGBT 552
7.2.3 Verhalten im Durchlaßbetrieb 554
7.2.4 Analyse des Schalt Verhaltens von IGBTs 560
7.2.5 Experimentelle Schaltvorgänge 570
7.2.6 Latch Up 576
7.2.7 Ansteuerung und Schutz von IGBTs 577
7.2.8 Typische Daten von IGBTs 578
7.3 IGBT Abwandlungen 579
7.4 Neue Entwicklungen bei IGBTs 594
A. Porst
7.4.1 Einleitung 594
7.4.2 Statische Eigenschaften 595
7.4.3 Dynamisches Verhalten 600
7.4.3.1 Ausschalten 600
7.4.3.2 Einschalten 606
7.4.4 Verhalten im Kurzschlußfall 608
7.4.5 Zusammenfassung 615
8 Smart Power Bauelemente 617
Ch. Xu
8.1 Laterale Leistungsbauelemente und Smart Power Ansatz . 617
D. Schröder
8.2 Power IC Technologien 623
8.2.1 Smart Discrete Technologie 623
8.2.2 BCD Technologie 625
8.2.3 HV CMOS Technologie 627
8.2.4 Weitere Technologien 630
8.2.5 Montagetechnik 632
8.3 Power IC Funktionen 633
8.3.1 Schutzfunktionen 633
8.3.1.1 Übertemperaturschutz 633
8.3.1.2 Kurzschluß Schutz 636
XVIII Inhaltsverzeichnis
8.3.2 Diagnose und Current Sense 640
8.3.3 EMV optimiertes Schalten 645
8.3.4 Weitere Funktionen 647
8.4 Entwurfsmethodik 648
8.5 Hochstrom PROFET 650
8.6 Verhaltensmodelle 653
8.7 Zuverlässigkeiten 656
8.8 Ausblick über die weitere Entwicklung 659
9 Silizium Carbid SiC und andere Materialien 661
9.1 Einführung 661
9.1.1 Beweglichkeit von Ladungsträgern in SiC 667
9.1.2 Anisotrope Beweglichkeit 671
9.1.3 Sättigungsgeschwindigkeiten 672
9.1.4 Unvollständige Ionisation 673
9.1.5 Stoßionisation 680
9.1.6 Diffusionsspannung 680
9.1.7 Lebensdauer von Minoritätsträgern 681
9.2 SiC Bauelemente Technologie 683
9.2.1 Defekte bei SiC, zusätzlich zu MPD 685
9.2.2 Zuverlässigkeit der SiC MOS Strukturen 686
9.3 Schnelle SiC Dioden 687
9.3.1 SiC Schottky Dioden 687
9.3.2 SiC Merged pin Schottky Diode (MPS Diode) 690
9.3.3 Bipolare SiC pn Dioden 692
9.3.4 Zusammenfassung und Ausblick SiC Dioden 694
9.4 Steuerbare SiC Leistungshalbleiter 695
9.4.1 Steuerbare unipolare Leistungshalbleiter 696
9.4.2 Steuerbare bipolare Leistungshalbleiter 700
9.4.3 Bipolare SiC Transistoren 700
9.4.4 Bipolare SiC JFETs 702
9.4.5 SIAFET 703
9.4.6 MOS gesteuerte unipolare Leistungshalbleiter 704
10 Aufbau und Verbindungstechnik in der Leistungselektro¬
nik 706
U. Scheuermann
10.1 Einleitung 706
10.2 Grundlagen der Aufbau und Verbindungstechnik 707
10.2.1 Thermische Eigenschaften von Leistungskomponenten 707
10.2.2 Elektrische Eigenschaften von Leistungskomponenten 720
10.2.3 Zuverlässigkeit von Leistungskomponenten 728
10.3 Architektur von Leistungskomponenten 738
Inhaltsverzeichnis XIX
10.3.1 Diskrete Leistungsgehäuse 740
10.3.1.1 Die TO Familie und ihre Verwandten 740
10.3.1.2 Die Scheibenzelle 744
10.3.2 Leistungsmodule 749
10.3.3 Intelligente Leistungsmodule 761
10.3.4 Leistungselektronische Subsysteme und Systeme 768
10.4 Zukünftige Herausforderungen an die Aufbau und Verbindungs¬
technik 772
11 Physikalische Modelle für die Schaltungssimulation 778
H. Kuhn
11.1 Einführung 778
11.1.1 Simulation und Modelle in der Leistungselektronik 779
11.1.2 Schaltungssimulation und Modellbildung 781
11.1.3 Physikalische Modelle 783
11.2 Modell der Leistungsdiode 784
11.2.1 Modularer Modellaufbau 784
11.2.2 Modellierung der Randzonen 787
11.2.3 Modellierung der Driftzone 791
11.2.4 Gesamtmodell 804
11.2.5 Anwendung des Diodenmodells 806
11.3 Modelle für GTO und GCT 807
11.3.1 GTO und GCT: Gemeinsamkeiten und Unterschiede 807
11.3.2 GCT: Modularer Modellaufbau 809
11.3.3 GCT: Modellierung der Pufferschicht 811
11.3.4 Modellierung des Wide Base Transistors (p Basis) 815
11.3.5 GCT: Gesamtmodell 818
11.3.6 GCT: Simulation von Schalttransienten und Kennlinie 820
11.3.7 Anwendung: Serienschaltung von GCTs 832
11.4 Modellierung des IGBT 834
11.4.1 Vorbemerkungen 834
11.4.2 IGBT Modularer Modellaufbau 835
11.4.3 MOSFET Steuerkopf 837
11.4.4 IGBT: Gesamtmodell 844
11.4.5 Modellvalidierung 845
12 Hochdynamische Stromerfassung in der Leistungselektro¬
nik 849
P. Hofer Noser, N. Karrer
12.1 Einführung 849
12.2 Anforderungen an Strommeßgeräte für die Leistungselektronik . 850
12.3 Übersicht über die bekanntesten Strommeßverfahren 851
12.4 Meßgeräte für die hochfrequente Strommessung 852
12.4.1 Koaxialer Meßwiderstand (Coaxial Shunt) (DC.GHz) 852
XX Inhaltsverzeichnis
12.4.2 Impulsübertrager (CT) (Hz.MHz) 854
12.4.3 Eta Prinzip (DC CT) (DC.MHz) 863
12.4.4 Kompensationswandler (Closed Loop Probe) (DC.MHz) . . . 867
12.4.5 Rogowskigürtel (Rogowski Coil) (Hz.MHz) 868
12.4.6 Luft CT (Air CoredCT) (Hz.MHz) 871
12.4.7 HOKA Prinzip (HOKA Principle) (DC.MHz) 873
12.5 Übertragungsfunktion und Signalverzögerung 876
12.6 Ausblick 878
12.7 Strommessung in der Praxis 878
Variablenübersicht 884
Kapitel 1 884
Kapitel 2 887
Kapitel 3 891
Kapitel 4 894
Kapitel 5 897
Kapitel 6 899
Kapitel 7 903
Kapitel 8 905
Kapitel 9 907
Kapitel 10 909
Kapitel 11 910
Kapitel 12 913
Literaturverzeichnis 915
Allgemeine Literatur 915
Kapitel 1 (Halbleiterphysik) 918
Kapitel 2 (Diode) 923
Kapitel 3 (Bipolarer Transistor) 928
Kapitel 4, 5 (Thyristor, GTO, GCT) 932
Kapitel 6 (Unipolare Bauelemente) 940
Kapitel 7 (IGBT, MCT, FCTh, SITh) 946
Kapitel 8 (Smart Power Bauelemente) 955
Kapitel 9 (Silizium Carbid SiC) 963
Kapitel 10 (Aufbau und Verbindungstechnik) 972
Kapitel 11 (Physikalische Modelle) 978
Kapitel 12 (Hochdynamische Stromerfassung) 982
Stichwortverzeichnis 984 |
| any_adam_object | 1 |
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