In den letzten Jahren wurden die um die Jahrtausendwende eingeführten grundlegenden Strukturmerkmale von Si-IGBTs wie Trench-Gate-Zellen und Feldstoppschichten weiter verbessert. Zur Reduzierung der Verluste im Durchlasszustand wurden beispielsweise die Zellabstände verringert.

Bei Leistungsschaltern ist es wichtig, dass die Verluste im Durchlass- und Sperrbetrieb minimal sind. Jedoch bestimmt der zeitliche Überlapp von Spannung und Strom am Schalter – und damit maßgeblich die für die Anwendung zulässigen Schaltflanken – die Schaltverluste. Die Verluste beim Ansteuern von Hochvoltschaltern sind deutlich kleiner als die Schaltverluste auf der Leistungsseite und werden hier vernachlässigt.

Bild 1: Schematischer, idealisierter Ein- und Ausschaltvorgang eines Si-IGBTs; parasitäre Effekte wurden hier vernachlässigt.

Bild 1: Schematischer, idealisierter Ein- und Ausschaltvorgang eines Si-IGBT; parasitäre Effekte sind hier vernachlässigt. Infineon

Bild 1 illustriert den harten Ein- und Ausschaltvorgang eines Leistungsschalters, bei dem parasitäre Effekte keine Berücksichtigung fanden. Die minimalen Schaltverluste lassen sich einfach durch das Integral über das Produkt aus Spannung und Strom am Schalter abschätzen. Ein idealer Schalter für eine Anwendung hat daher im Betrieb nur die von den zulässigen Schaltflanken vorgegebenen Verluste. Also ist eine weitere Reduzierung der Schaltverluste nur in dem Maß möglich, in dem die Anwendung steilere Schaltflanken zulässt. Diese Einschränkungen treffen unabhängig von der Art des Halbleiter-Leistungsschalters zu und sind für alle Substratmaterialien wie Silizium oder Halbleiter mit großem Bandabstand gültig.

Reale Si-IGBTs

Im Sperrspannungsbereich über 600 V kommen Si-IGBTs schon seit Jahrzehnten zum Einsatz. Kurz vor der Jahrtausendwende wurden wesentliche Innovationen eingeführt, die die Weiterentwicklung der IGBTs beeinflussten, beispielsweise die Kombination aus Trench-Gate-Zellen und vertikaler Optimierung durch die Nutzung von Feldstoppschichten. Diese Innovationen ermöglichten eine erhebliche Reduzierung der Schalt- und Durchlassverluste.

Bei Leistungshalbleitern gibt die Verlustleistung im Betrieb die in einer Anwendung benötigte Chipfläche und damit die Kosten des Halbleiterbauteils vor. Eine größere Chipfläche verbessert die Wärmeabfuhr vom Chip in die Umgebung, wenn die anderen thermischen Randbedingungen im Aufbau gleich sind. Damit ist eine Reduzierung der Kosten des Halbleiterschalters durch eine kleinere Chipfläche nur möglich, wenn die Verluste im Schalter geringer ausfallen. Da die Applikation die Schaltverluste maßgeblich mitbestimmt, konzentriert sich die Entwicklung auf die Reduzierung der Verluste im Durchlassbetrieb.

Optimierte, vertikale Struktur

Die Durchlasseigenschaften von IGBTs lassen sich verbessern, indem die zur Aufnahme der Sperrspannung nötige niedrig dotierte Zone (Driftzone) im Durchlassfall mit Elektronen und Löchern überschwemmt wird. Beim Übergang vom Durchlass- zum Sperrbetrieb verursacht das Entfernen dieser Überschwemmungsladung Schaltverluste, die sich mit Einführung der Zellen mit Trench-Gates deutlich reduzieren ließen. Die Optimierung der vertikalen Struktur – hauptsächlich durch Feldstoppschichten in Kombination mit schwachen Emittern auf der Kollektorseite – half bei der Verringerung von sowohl Durchlass- als auch Schaltverlusten. Daher sind Trench-Feldstopp-IGBTs heute auf dem Leistungshalbleitermarkt vorherrschend.

 

Wie sich die Durchlass- und Ausschaltverluste reduzieren lassen, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

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