1.2 Leistungs-MOSFET und IGBT - Semikron

1 Grundlagen
Symbol
R W
Bezeichnung
lateraler Widerstand der
p-Wanne
Basis-Emitter-Widerstand des parasitären npn-
Bipolartransistors
Das Ersatzschaltbild eines IGBT enthält neben den internen Kapazitäten und Widerständen zunächst
die auch in der MOSFET-Struktur vorhandenen Elemente „idealer MOSFET“ und parasitärer
npn-Transistor: n + -Emitterzone (Emitter)/p + -Wanne (Basis)/n-Driftzone (Kollektor) mit
dem lateralen Widerstand der p + -Wanne unterhalb der Emitter als Basis-Emitter-Widerstand R W .
Zusätzlich entsteht mit der Zonenfolge p + -Kollektorzone (Emitter)/n-Driftzone (Basis)/p + -Wanne
(Kollektor) ein pnp-Transistor, der gemeinsam mit dem npn-Transistor eine Thyristor-
Ersatzschaltung bildet.
Das Einrasten (latch-up) dieses parasitären Thyristors, das den Verlust der Steuerfähigkeit des
IGBT und damit dessen Zerstörung bedeutet, kann mit Erreichen der Einrastbedingung
( α + α ) 1
M ⋅
npn pnp
= mit α
pnp
, α
npn
= α
T
⋅ γ
E
M: Multiplikationsfaktor;
α npn , α pnp : Stromverstärkungen der Teiltransistoren in Basisschaltung;
α T : Basistransportfaktor;
γ E : Emitterwirkungsgrad
prinzipiell im stationären Betrieb (durch Überschreiten einer kritischen Stromdichte, die mit ansteigender
Chiptemperatur sinkt) oder auch während des Ausschaltens (dynamisches latch-up
aufgrund des gegenüber dem stationären Ein-Zustand höheren Löcherstromes) erfolgen.
Durch die nachfolgend aufgeführten Design-Maßnahmen wird bei modernen IGBTs ein latch-up
unter allen zulässigen statischen und dynamischen Betriebsbedingungen zuverlässig verhindert;
z.B. ist die Stromdichte des dynamischen latch-up beim Ausschalten etwa 15 mal so groß wie die
Nennstromdichte.
Hierzu wird zunächst der Basis-Emitter-Widerstand R W des npn-Teiltransistors durch
- hohe Dotierung der p + -Wanne direkt unterhalb der n-Emitter, sowie
- Verringerung der Länge der n-Emitter
soweit verkleinert, daß die Schwellenspannung der Basis-Emitter-Diode des npn-Transistors in
keinem zulässigen Betriebsfall erreicht wird.
Weiterhin wird der Löcherstrom (Basisstrom des npn-Transistors) durch Einstellung einer niedrigen
Stromverstärkung im pnp-Transistor so klein wie möglich gehalten. Hierbei muß jedoch
ein Kompromiß zwischen Schaltverhalten und Robustheit einerseits und den Durchlaßeigenschaften
andererseits getroffen werden, die ebenfalls wesentlich vom Design des pnp-
Teiltransistors abhängen.
Dieser Kompromiß ist bei PT- und NPT-IGBTs auf unterschiedliche Weise verwirklicht [278].
PT-IGBTs haben eine sehr hohe Injektionswirkung (Emitterwirkungsgrad) von Löchern der p + -
Schicht in das n - -Driftgebiet, da das Substrat relativ dick und hochdotiert ist. Die pnp-
Stromverstärkung kann nur noch über den Basistransportfaktor (n - -Driftzone, n + -Buffer) abgesenkt
werden, wozu die Ladungsträgerlebensdauer in der n + -Schicht durch zusätzliche Rekombinationszentren
(z.B. Golddotierung oder Elektronenbestrahlung) herabgesetzt wird.
Der Löcherstrom ist mit 40...45 % am Gesamtstrom beteiligt.
Bei NPT-IGBTs ist die implantierte, kollektorseitige p + -Emitterzone wesentlich dünner als das
Substrat des PT-IGBT. Bereits bei der Waferfertigung können dabei die Dotierstoffkonzentrationen
äußerst genau eingestellt werden. Durch die sehr dünne p + -Schicht wird ein niedriger Emit-
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