Halbleiter-Leistungsbauelemente - Physik, Eigenschaften, Zuverlässigkeit

1 Besonderheiten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente (S.1)

Leistungsbauelemente erfüllen im allgemeinen nur eine Funktion – die Funktion als Schalter, aber diese bei sehr hohen Anforderungen:

- hohe Sperrfähigkeit
- hohe Stromtragfähigkeit
- hohe Schaltleistung
- hohe Schaltfrequenz möglich
- belastbar durch hohe Spannungsflanken du/dt und Stromflanken di/dt
- geringe Verluste
- elektrische Isolation vom Kühlkörper
- selbstschützend (Überlast, Kurzschluss)
- potentialgetrennte, leistungsarme Ansteuerung
- geringes Volumen, geringes Gewicht
- hohe Betriebstemperatur (150°C, 200°C angestrebt)
- sehr hohe Wärmeleitfähigkeit
- hohe Lebenserwartung (Zuverlässigkeit) usw. ....

Abbildung 1.1 zeigt schematisch den Aufbau der wichtigsten Grundformen der Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik. Ebenfalls ist der Bereich angegeben, bis zu welcher Leistung – Strom, Spannung und Schaltfrequenz - Bauelemente verfügbar sind. Dabei kann aber kaum ein Bauelement alle diese Anforderungen gleichzeitig erfüllen. So kann eine Diode zwar auf 10kV ausgelegt werden, sie benötigt dafür aber eine entsprechend hohe Dicke wB der Mittelzone.

Das geht wiederum zum Nach- teil der Durchlassverluste und damit der Stromtragfähigkeit. So ist eine 8kA-10kV-Diode nicht bekannt, aber eine 8kA-Diode mit 600V Sperrspannung für Schweißanwendungen ist verfügbar. Diese 600V-Diode kann aber maximal bei etwa 1kHz eingesetzt werden. Für höhere Schaltfrequenzen sind schnelle Dioden erforderlich, die eine höhere Durchlass- Spannung aufweisen.

Die in Abb. 1.1 angegebenen Bereiche von Spannung, Strom und Schaltfrequenz werden jeweils von einzelnen auf die spezielle Eigenschaft optimierten Bauelementen erreicht. Der bipolare Transistor besteht aus drei Schichten und weist 2 pnÜbergänge auf, der genannte Strom- und Spannungsbereich konnte von einem Einzelchip in Darlington-Konfiguration erreicht werden. Der bipolare Transistor ist aber heute in fast allen neuen Anwendungen durch den IGBT vom Markt verdrängt.

Der Thyristor wurde früher als Leistungsbauelement eingeführt als der Transistor, denn der Thyristor hat keine feinen Strukturen und ist einfacher herzustellen. Er besteht aus 4 Schichten und drei pn-Übergängen. In der Konfiguration wie in Abb. 1.1 sperrt er in beiden Richtungen und kann in Vorwärtsrichtung (siehe Schaltsymbol) gezündet werden. Der Thyristor ist weit verbreitet bei Anwendungen mit niedrigen Schaltfrequenzen, das sind gesteuerte Eingangsgleichrichter die mit Netzfrequenz von 50Hz betrieben werden.

Ein weiterer Einsatzbereich des Thyristors ist die Leistungsklasse, die von anderen Bauelementen noch nicht erreicht wird – sehr hohe Spannungen und Ströme. Hier geht die Entwicklung weiter voran, einzelne Thyristoren erreichen heute 13 kV, oder im Fall der Herstellung eines einzelnen Chips aus einem Halbleiter Wafer des Durchmessers von 150mm, einen Strom bis 6kA. Weitere Sonderformen des Thyristors (Triac, GTO, GCT) werden in Kap. 3.4 behandelt.

Der MOSFET (Metall Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor) ist der Leistungsschalter, der die höchsten Schaltfrequenzen ermöglicht. Die Basis ist in einzelne p-Wannen aufgeteilt, darin befinden sich die n+- Zonen (Source). Der Gate-Bereich ist durch eine Isolatorschicht (i.a. SiO2) getrennt, durch eine Steuerspannung im Gate wird oberflächennah ein n- Kanal erzeugt, über die Steuerspannung kann der Kanal geöffnet und geschlossen werden.