Durchbruch des pn

Leistungsbauelemente I
(Kurs-Nr. 21645)
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Reinhart Job
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Reinhart Job, apl. Prof. Dr. rer. nat.
Fakultät für Mathematik und Informatik
Fachgebiet Elektrotechnik und Informationstechnik
(AG Leistungsbauelemente & Sensorik)
D-58084 Hagen
Gliederung
ƒ Einleitung
ƒ Physikalische Grundlagen
ƒ pn-Übergänge
ƒ Halbleitertechnologie
ƒ pin-Dioden
ƒ Bipolare Leistungstransistoren
ƒ Thyristoren
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ƒ IGBT‘s
ƒ Schottky-Dioden
ƒ Leistungs-MOSFETs
pn-Übergänge
pn-Übergang:
Ö Grenzfläche aus p-Typ und
n-Typ Halbleiter
p-Typ
HL
n-Typ
HL
Ö Grundstruktur der meisten
Halbleiterbauelemente
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Ö Verständnis des pn-Übergangs ist essentiell für das
Verständnis von Halbleiter/ Leistungsbauelementen
Ö Die physikalische Eigenschaften des Übergangsgebietes bestimmen das Verhalten des pn-Übergangs
© C. Kittel, Einführung in die Festkörperphysik (Oldenbourg, 1980)
pn-Übergänge
Vor der Bildung eines pn-Übergangs (I):
p-Typ Si
n-Typ Si
EC
EC
EF
EF
EV
EV
Ö Wir betrachten moderat dotierte Halbleiter (Si)
n-Typ Si: ND < 0.05⋅NC
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p-Typ Si: NA < 0.05⋅NV
Ö Boltzmann-Näherung (ansonsten Fermi-Dirac-Statistik)
NC, NV: effektive Zustandsdichten für das Leitungsband und
das Valenzband
NA, ND: Konzentration der Akzeptoren und Donatoren
pn-Übergänge
Vor der Bildung eines pn-Übergangs (II):
p-Typ Si
n-Typ Si
EC
EC
EF
EF
EV
⎛ E − EV ⎞
p = N A = NV ⋅ exp⎜ − F
⎟
k
T
⋅
⎠
⎝
te
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⎛ 2 ⋅π ⋅ m ⋅ k ⋅T ⎞
⎟⎟
N C = 2 ⋅ ⎜⎜
h
⎠
⎝
∗
e
2
3
2
⎛ NV ⎞
⎟⎟
EF − EV = k ⋅ T ⋅ ln⎜⎜
⎝ NA ⎠
EV
⎛ EC − EF ⎞
n = N D = N C ⋅ exp⎜ −
⎟
k
⋅
T
⎝
⎠
⎛ 2 ⋅π ⋅ m ⋅ k ⋅T ⎞
⎟⎟
NV = 2 ⋅ ⎜⎜
h
⎝
⎠
∗
h
2
3
2
⎛ NC ⎞
⎟⎟
EC − EF = k ⋅ T ⋅ ln⎜⎜
⎝ ND ⎠
pn-Übergänge
Abrupter pn-Übergang (einige Formeln):
Ö Thermodynamisches Gleichgewicht
(keine Spannung angelegt, kein Stromfluss)
Elektronenstromdichte:
⎛
k ⋅ T ∂n ⎞
∂E
J n = 0 = q ⋅ μ n ⋅ ⎜⎜ n ⋅ E +
⋅ ⎟⎟ = μ n ⋅ n ⋅ F
q ∂x ⎠
∂x
⎝
Löcherstromdichte:
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⎛
k ⋅ T ∂p ⎞
∂E
⋅ ⎟⎟ = μ p ⋅ p ⋅ F
J p = 0 = q ⋅ μ p ⋅ ⎜⎜ p ⋅ E −
q ∂x ⎠
∂x
⎝
⇒
∂EF
=0
∂x
Ö Das Fermi-Niveau ist über die gesamte Probe konstant
pn-Übergänge
Nach der Bildung des pn-Übergangs (I):
p-Typ Si
n-Typ Si
Im Moment
des Kontakts
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Elektronen
EC
EF
EF
EV
Löcher
EV
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Ö Das Fermi-Niveau der p-dotierten Seite richtet sich mit
dem Fermi-Niveau der n-dotierten Seite aus
Ö Diffusion der beweglichen Ladungsträger über die Kontaktfläche hinaus → wegen Konzentrationsgradient
Ö Bildung eines elektrischen Feldes durch nicht mobile ionisierte Dotieratome ⇒ Raumladungs- oder Verarmungszone
pn-Übergänge
Nach der Bildung des pn-Übergangs (III):
p-Typ Si
n-Typ Si
EC
EC
EF
EF
EV
EV
Verarmungszone (Raumladungszone)
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Ö Elektronen und Löcher diffundieren so lange über die
Kontaktfläche in das p- bzw. n-dotierte Gebiet, bis das
Gegenfeld, das sich aus den ionisierten Atomrümpfen
aufbaut, die Diffusion unterbindet
pn-Übergänge
Abrupter pn-Übergang (Raumladungszone):
p-dotierter Bereich
n-dotierter Bereich
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p-Dotierung
n-Dotierung
Verarmungszone (Raumladungszone)
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Abrupter pn-Übergang (Raumladungszone):
p-dotierter Bereich
n-dotierter Bereich
Banddiagramm
q ⋅ V bi = E g − (q ⋅ V n + q ⋅ V p )
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Vbi: Diffusionspotenzial
(″built-in voltage″)
p-Dotierung
n-Dotierung
Verarmungszone (Raumladungszone)
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Abrupter pn-Übergang (Raumladungszone):
p-dotierter Bereich
n-dotierter Bereich
Elektrisches Feld
Fläche:
→ Diffusionspotenzial
Potenzial
Vbi: Diffusionspotenzial
("built-in voltage")
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p-Dotierung
n-Dotierung
Verarmungszone (Raumladungszone)
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Abrupter pn-Übergang ("built-in" Spannung Vbi):
GaAs
Si
NB: "background" Dotierung
der schwächer dotierten Seite
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Ö Vbi jeweils für p+n- und und n+p-Übergänge
Ö es gilt:
Vbi(n+p) > Vbi(p+n)
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Abrupter pn-Übergang (Raumladungszone):
Ö Breite der Raumladungszone WD in Abhängigkeit von NB
(p+n-Übergang aus Silizium bei T = 300 K)
Linke y-Achse:
NB: "background" Dotierung
der schwächer dotierten Seite
Breite der Raumladungszone WD
Rechte y-Achse:
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Kapazität C der
Verarmungszone
Ö Direkter Zusammenhang zwischen Kapazität und Breite
der Raumladungszone
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Abrupte und graduelle pn-Übergänge:
Ö Abrupter pn-Übergang
p-dotierter Bereich
n-dotierter Bereich
→ flache pn-Übergänge
→ Dotierung durch Ionenimplantation
→ kurze Diffusionszeiten
Ö "linearly graded junction"
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p-dotierter Bereich
n-dotierter Bereich
→ kontinuierlicher Übergang von p-Typ nach n-Typ
→ tiefe pn-Übergänge
→ lange Diffusionszeiten
pn-Übergänge
Gradueller pn-Übergang:
p-dotierter Bereich
n-dotierter Bereich
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Breite W der Raumladungszone
Ö Verteilung der Dotierungsverunreinigungen und der
Raumladung
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Gradueller pn-Übergang:
p-dotierter Bereich
n-dotierter Bereich
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Ö Verteilung des elektrischen Feldes und des Potenzials
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Gradueller pn-Übergang:
p-dotierter Bereich
n-dotierter Bereich
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Ö Banddiagramm
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© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Gradueller pn-Übergang:
Ö Gradientenspannung Vg in Abhängigkeit von dem
Dotierungsgradienten (T = 300 K)
Vg ∝ ln (c ⋅ a )
a: Dotierungsgradient
GaAs
→ [cm-4]
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c: Konstanten Si
(incl. T)
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© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Gradueller pn-Übergang:
Ö Breite und Kapazität der Verarmungszone in Abhängigkeit
von dem Dotierungsgradienten (Silizium, 300 K)
Bias:
Vg – V = 0.1 V
Vg + V = 1.0 V
Vg + V = 10 V
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Vg + V = 100 V
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© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs:
Ö pn-Übergang ↔ Diode
Ideale Diodenkennlinie:
- lineare Darstellung mit
normierten Einheiten
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© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs:
Ö pn-Übergang ↔ Diode
Ideale Diodenkennlinie:
- halb-logarithmische
Darstellung mit
normierten Einheiten
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© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs:
Ö Ideale Diode ↔ Shockley-Modell
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In Vorwärtsrichtung gepolt
In Rückwärtsrichtung gepolt
Ö Energiebanddiagramm des pn-Übergangs nach dem
idealen Shockley-Modell
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© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs:
Ö Ideale Diode ↔ Shockley-Modell
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In Vorwärtsrichtung gepolt
In Rückwärtsrichtung gepolt
Ö Ladungsträgerkonzentrationen über den pn-Übergang
Nach dem idealen Shockley-Modell
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs:
Ö pn-Übergang ↔ Diode
Reale Diodenkennlinie
- halb-logarithmische
Darstellung mit
normierten Einheiten
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Ö Deutliche Abweichungen
zur idealen Kennlinie
(sowohl in Vorwärts- als
auch Rückwärtsrichtung)
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© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs:
Reale Diodenkennlinie
Ö Vorwärtsrichtung:
ƒ Generations-Rekombinations-Ströme (a)
ƒ Diffusionsströme (b)
ƒ Injektionsströme (c)
ƒ Serienwiderstand (d)
Ö Rückwärtsrichtung:
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ƒ Rekombinations-Generations-Leckströme (e)
Ö Durchbruch:
ƒ Lawinen- ("Avalanche"-)
Durchbruch
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Durchbruch des pn-Übergangs:
Ö Lawinendurchbruch (einseitig abrupter pn-Übergang)
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Ö Durchbruchspannungen in Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration für Ge, Si, GaAs und GaP
Ö Oberhalb der gestrichelten Linie überwiegt Tunnel-Durchbruch (sehr hohe Dotierungskonzentrationen)
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
pn-Übergänge
Durchbruch des pn-Übergangs:
Ö Lawinendurchbruch ("linearly graded junction")
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Ö Durchbruchspannungen in Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration für Ge, Si, GaAs und GaP
Ö Oberhalb der gestrichelten Linie überwiegt Tunnel-Durchbruch (sehr hohe Dotierungskonzentrationen)
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
pn-Übergänge
Durchbruch des pn-Übergangs:
Ö Lawinendurchbruch
Ö Vergleich: Einseitig abrupter pn-Übergang und "linearly
graded junction" → Durchbruchspannungen
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Abrupter pn-Übergang
Linearly Graded Junction
Konzentrationsgradienten
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© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
pn-Übergänge
Durchbruch des pn-Übergangs:
Ö Lawinendurchbruch (einseitig abrupter pn-Übergang)
Ö Weite der VerarmungsZone beim Durchbruch
Ö Maximales Feld beim
Durchbruch
Ö Ge, Si, GaAs, GaP
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Ö Abhängigkeit von der
Dotierungskonzentration
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© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
pn-Übergänge
Durchbruch des pn-Übergangs:
Ö Lawinendurchbruch ("linearly graded junction")
Ö Weite der VerarmungsZone beim Durchbruch
Ö Maximales Feld beim
Durchbruch
Ö Ge, Si, GaAs, GaP
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Ö Abhängigkeit von der
Dotierungskonzentration
Konzentrationsgradienten
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
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pn-Übergänge
Durchbruch des pn-Übergangs:
Ö Lawinendurchbruch
Ö Vergleich: Einseitig abrupter pn-Übergang und "linearly
graded junction“ → Weite der RLZ, Feld beim Durchbruch
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Abrupter pn-Übergang
Linearly Graded Junction
Konzentrationsgradienten
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
pn-Übergänge
Durchbruch des pn-Übergangs:
Ö Lawinendurchbruch (eindiffundierter pn-Übergang)
Ö Durchbruchspannung
bei einem diffundierten
pn-Übergang für verschiedene Dotierungsgradienten
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Ö Flache Gradienten
erlauben höhere
Durchbruchspannungen bei höheren
Dotierkonzentrationen
→ Widerstand kann
in Durchlassrichtung reduziert
werden
© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
pn-Übergänge
Durchbruch des pn-Übergangs:
Ö Lawinendurchbruch (einseitig abrupter pnn+-Übergang)
Ö Durchbruchspannungen für pnn+Übergang
Ö Unterschiedliche
Basisweiten w
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© S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (Wiley, 1981)
Gliederung
ƒ Einleitung 9
ƒ Physikalische Grundlagen 9
ƒ pn-Übergänge 9
ƒ Halbleitertechnologie
ƒ pin-Dioden
ƒ Bipolare Leistungstransistoren
ƒ Thyristoren
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ƒ IGBT‘s
ƒ Schottky-Dioden
ƒ Leistungs-MOSFETs
Gliederung
Pause
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