Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
B´
SiO 2
p +
Emitter
A´ Gate Emitter
p + +
+
Al
n +
-
-
d
- -
p -
p - -
-
p +
-
-
p +
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
n - 2 3 1 1 3 2 n -
B
A
Collector
+ + - - +
-
-
-
A-B: wide of elementary cell
a) d: length of channel
b)
-
+
G
Gate
G
Gate
Collector
C
E
Emitter
Collector
C
E
Emitter
Bild 2.4.3 IGBT mit Vertikalstruktur und Planargate;
a) Ladungsträgerfluss im Durchlasszustand;
b) Schaltsymbole
Die letztendlich stark unterschiedlichen Eigenschaften von Leistungs-MOSFET und IGBT resultieren
aus dem unterschiedlichen Aufbau im Bereich der dritten Elektrode (MOSFET: Drain/IGBT:
Kollektor), aus der unterschiedliche Funktionsprinzipien resultieren. Mit dem Anlegen einer ausreichend
hohen positiven Steuerspannung zwischen Gate und Source (MOSFET) bzw. Emitter
(IGBT) kommt es zur Ausbildung eines n-leitenden Kanals im p-Gebiet unterhalb des Gateanschlusses.
Über diesen Kanal können Elektronen vom Source bzw. Emitter aus durch das n - -Driftgebiet
zum unterseitigen Anschluss fließen und die Raumladungszone abbauen. Beim Leistungs-
MOSFET tragen allein diese Elektronen den Hauptstrom (Drainstrom). Da diese im n - -Driftgebiet
Majoritätsträger sind, erfolgt keine bipolare Ladungsträgerüberschwemmung der hochohmigen
n - -Zone; der MOSFET ist ein unipolares Bauelement.
Während der Aufbau des IGBT bis zur n - -Zone weitgehend dem Leistungs-MOSFET entspricht,
besteht die Unterseite des IGBT aus einem p + -leitenden Gebiet, das den Kollektoranschluss trägt.
Auf die Wirkung der zusätzlichen – bei den meisten IGBT-Konzepten – zwischen n - - und p + -Zone
vorhandenen n + -Feldstoppschicht soll erst später eingegangen werden.
Mit Eintritt der Elektronen in das p + -Gebiet der Kollektorzone erfolgt eine Injektion von positiven
Ladungsträgern (Löcher) aus dem p + -Gebiet in die n - -Zone. Die injizierten Löcher fließen sowohl
vom Driftgebiet in den Emitter-p-Kontakt als auch lateral unterhalb des Kanals und der n + -Wanne
seitlich zum Emitter. Somit wird das n - -Driftgebiet mit Löchern (Minoritätsträgern) überschwemmt;
die Ladungsträgeranreicherung trägt den überwiegenden Teil des Hauptstroms (Kollektorstrom).
Der Hauptstrom baut die Raumladungszone ab, was zum Absinken der Kollektor-Emitter-Spannung
führt. Im Gegensatz zum MOSFET ist der IGBT somit ein bipolares Bauelement.
Aus der Minoritätsträgerüberschwemmung der hochohmigen n - -Zone resultiert eine niedrigere
Durchlassspannung des IGBT gegenüber dem Leistungs-MOSFET. IGBT können somit bei vergleichbaren
Chipflächen für wesentlich höhere Spannungen und Ströme ausgelegt werden. Andererseits
müssen beim Ausschalten die Minoritätsträger wieder aus dem n - -Driftgebiet abgeführt
werden oder dort rekombinieren (Schaltverluste).
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