Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
PT-Konzept
Das erste und nach Weiterentwicklung bis heute angewandte „Punch-Through“(PT)-Konzept benutzt
als Ausgangsmaterial ein p + -Substrat, n + - und n - -Zone werden durch Epitaxie aufgebracht.
PT-IGBT können heute ebenfalls die Trench-Gatestruktur besitzen, wie rechts im Bild 2.4.10 gezeigt.
Im Vorwärtssperrzustand erfasst die Raumladungszone das gesamte n - -Gebiet. Um die
Epitaxieschicht auch für hohe Sperrspannungen möglichst dünn zu halten, wird das Feld am Ende
des n - -Driftgebietes durch eine hochdotierte n + -Bufferzone abgebaut.
PT-IGBT haben einen sehr hohen Emitterwirkungsgrad von Löchern der p + -Schicht in das n - -
Driftgebiet, da das Substrat relativ dick und hochdotiert ist. Die pnp-Stromverstärkung muss über
den Basistransportfaktor (n - -Driftzone, n + -Buffer) abgesenkt werden, was durch Senkung der Ladungsträgerlebensdauer
in der n + -Schicht mittels zusätzlicher Rekombinationszentren (z.B. Golddotierung
oder Elektronenbestrahlung) erfolgt. Der Löcherstrom ist mit 40...45 % am Gesamtstrom
beteiligt.
NPT-Konzept
Ausgangsmaterial der etwas später von vielen Herstellern eingeführten „Non-Punch-Through“
(NPT)-IGBT, ist ein dünner, schwach dotierter n - -Wafer, die kollektorseitige p + -Zone wird durch
Rückseitenimplantation erzeugt. Das n - -Driftgebiet ist hier so breit, dass im Vorwärtssperrzustand
bis zur höchstzulässigen Sperrspannung das elektrische Feld vollständig im n - -Driftgebiet abgebaut
wird und sich – im Gegensatz zum PT-Konzept – nicht durch die gesamte n - -Zone ausbreiten
kann.
NPT-IGBT besitzen eine sehr dünne kollektorseitige p + -Emitterzone, wodurch ein niedriger Emitterwirkungsgrad
(g E
= 0,5) des pnp-Teiltransistors erreicht wird - eine Absenkung des Basistransportfaktors
durch Reduzierung der Ladungsträgerlebensdauer ist nicht notwendig. Der Anteil
des Löcherstromes am Gesamtstrom beträgt 20...25 %. Die Sättigungsspannung von NPT-IGBT
weist – im Gegensatz zu PT-IGBT – einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, was die Symmetrierung
der Stromaufteilung sowohl zwischen den Zellen eines Chips als auch zwischen parallel
geschalteten Chips verbessert. Die Schaltzeiten beim harten Schalten sind vergleichsweise
kleiner und weniger von der Temperatur abhängig, Überströme aufgrund einer besseren internen
Strombegrenzung leichter abschaltbar. SEMIKRON setzt zum Zeitpunkt der Manuskripterstellung
in älteren Produktreihen NPT-IGBT der Generation IGBT2 ein.
SPT- und SPT+-Konzept
Der „Soft-Punch-Through“ (SPT)-IGBT von ABB ist eine Weiterentwicklung des NPT-Konzepts. Ihr
Ausgangsmaterial ist ebenfalls ein dünner, schwach dotierter n - -Wafer, die kollektorseitige p + -Zone
wird durch Rückseitenimplantation erzeugt. Oberhalb der kollektorseitigen p + -Zone ist hier jedoch
eine zusätzliche p + -Zone als Feldstoppschicht implantiert. Hierdurch wird – in Analogie zur hochdotierten
n + -Buffer Layer beim PT-Konzept – die Dicke der Driftzone verkürzt, indem das elektrische
Feld am Ende des n - -Driftgebietes vor der Kollektorzone abgebaut wird. Da diese Schicht
nicht wie beim PT-IGBT den hohen Emitterwirkungsgrad senken, sondern nur die Feldstärke reduzieren
muss, ist sie im Vergleich zum n + -Buffer des PT-IGBT weniger hoch dotiert.
Bei gleicher Vorwärtssperrspannung kann die Dicke w B
der n - -Driftzone gegenüber einem NPT-
IGBT und damit deren Durchlassspannung (~ w B
) deutlich gesenkt werden. Positiver Temperaturkoeffizient
der Durchlassspannung und hohe Robustheit bleiben erhalten. Bild 2.4.11 zeigt
schematisch das Schnittbild eines SPT-IGBT sowie den Vergleich der Chipdicke PT-NPT- und
SPT-IGBT.
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