Extrinsische und intrinsische Beeinflussungen des Verhaltens von Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter-bauelementen

Produktbeschreibung

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Verhalten von Halbleitern aus Siliziumkarbid (SiC). Zunächst werden die Auswirkungen par. Elemente betrachtet. Es wird u. a. der planare M-Shunt untersucht. Die Charakterisierung der Halbleiter wird mit stat. und dyn. Messmethoden durchgeführt. Der Sperrbetrieb der Dioden wird im Hinblick auf therm. Stabilität untersucht und bei der dyn. Charakterisierung werden die Überspannung sowie die Ladung bestimmt. Bei den stat. Messungen der Transistoren wird das Verhalten hinsichtlich verschiedener Transistortypen sowie herstellerbedingter Unterschiede aufgezeigt. Die dyn. Vermessung der Transistoren umfasst eine Analyse des Einflusses der Ansteuerparameter, der Gehäuse, der Sperrschichttemperatur und unterschiedlicher Dioden auf das Schaltverhalten. Des Weiteren werden die Zerstörungsgrenzen von SiC-MOSFETs und die Anwendbarkeit von Überspannungsschutzbeschaltungen auf SiC-MOSFETs analysiert. …

Inhalt

Vorwort ……………………………………………………………………………………………………………………. III

Inhalt ………………………………………………………………………………………………………………………… V

Formelzeichen und Abkürzungen ………………………………………………………………………………… VII

Kurzfassung ……………………………………………………………………………………………………………… XIII

Abstract …………………………………………………………………………………………………………………. XIV

1 Einleitung ……………………………………………………………………………………………………………. 1

2 Grundlagen der Siliziumkarbid‐Bauelemente ………………………………………………………….. 3

2.1 Materialeigenschaften ……………………………………………………………………………………. 3

2.2 Siliziumkarbid‐Bauelemente ……………………………………………………………………………. 5

2.2.1 pin‐Diode …………………………………………………………………………………………………………. 5

2.2.2 Schottky‐Diode …………………………………………………………………………………………………. 6

2.2.3 Bipolartransistor (BJT) ……………………………………………………………………………………….. 8

2.2.4 Sperrschichtfeldeffekttransistor (JFET) ………………………………………………………………. 11

2.2.5 Metall‐Oxid‐Halbleiter‐Feldeffekttransistor (MOSFET) ………………………………………… 14

2.3 Parasitäre Elemente ……………………………………………………………………………………… 17

3 Messtechnik ………………………………………………………………………………………………………. 21

3.1 Schaltversuche …………………………………………………………………………………………….. 21

3.1.1 Doppelpulsversuch ………………………………………………………………………………………….. 22

3.1.2 Kurzschlussversuch ………………………………………………………………………………………….. 24

3.1.3 Messplatzkonzept …………………………………………………………………………………………… 25

3.1.4 Schaltverläufe und deren Auswertung ……………………………………………………………….. 27

3.2 Strommessung über einen Widerstand …………………………………………………………… 31

3.2.1 Koaxialer Messwiderstand (Koaxialshunt) ………………………………………………………….. 35

3.2.2 Hair‐pin‐Shunt ………………………………………………………………………………………………… 40

3.2.3 M‐Shunt …………………………………………………………………………………………………………. 43

3.2.4 PCB‐M‐Shunt ………………………………………………………………………………………………….. 47

3.2.5 Messwiderstände im Überblick …………………………………………………………………………. 48

3.3 Lastinduktivitäten für Messaufbauten ……………………………………………………………. 49

4 Sperr‐ und Schaltverhalten von Dioden ………………………………………………………………… 53

4.1 Thermische Stabilität von 0,6 kV bis 1,7 kV Dioden im Sperrbetrieb …………………… 53

4.1.1 Selbsterwärmung und thermisches Weglaufen …………………………………………………… 53

4.1.2 Leckströme …………………………………………………………………………………………………….. 55

4.1.3 Ermittlung der Verdopplungstemperaturdifferenzen der Leckströme ……………………. 61

4.1.4 Anwendung des Stabilitätskriteriums ………………………………………………………………… 67

4.1.5 Lawinendurchbruch in SiC im Vergleich mit Silizium und Galliumnitrid ………………….. 69

5.5 Zerstörungsgrenzen beim Kurzschluss ………………………………………………………….. 117

5.6 Überspannungsschutz ………………………………………………………………………………… 126

5.6.1 Active Clamping …………………………………………………………………………………………….. 128

5.6.2 Dynamic Voltage Rise Control …………………………………………………………………………. 129

5.6.3 Dynamic Active Clamping ……………………………………………………………………………….. 133

6 Zusammenfassung …………………………………………………………………………………………… 138

7 Anhang …………………………………………………………………………………………………………… 141

7.1 Darstellung des Messplatzes ……………………………………………………………………….. 141

7.2 Wichtige Komponenten zur Durchführung der Schaltversuche ……………………….. 142

7.3 Darstellung der Messplatinen für vergleichende Messungen ………………………….. 143

7.4 Technische Zeichnung des erstellten Simulationsmodells vom Koaxialshunt …….. 144

7.5 SiC‐BJT: Schaltgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von IC und TJ ………………………. 145

7.6 SiC‐MOSFET: Schaltverläufe in Abhängigkeit von CGS,ext ………………………………….. 146

7.7 SiC‐MOSFET: Schaltgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von CGS,ext und TJ …………. 147

7.8 SiC‐MOSFET: Simulationsmodell ………………………………………………………………….. 148

8 Literaturverzeichnis …………………………………………………………………………………………. 149

8.1 Fachliteratur ……………………………………………………………………………………………… 149

8.2 Datenblätter und Bedienungsanleitungen …………………………………………………….. 160

8.3 Betreute studentische Arbeitsvorhaben ……………………………………………………….. 164

Keywords: Siliziumkarbid, parasitäre Elemente, Streuinduktivität, Messwiderstand, thermische Stabilität, statisches und dynamisches Verhalten, Halbleitergehäuse, Kelvin-Source-Anschluss, Kurzschlussverhalten, Überspannungsschutz,