DE102018114375A1 - Leistungselektronikanordnung - Google Patents
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- H01L29/08—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
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- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L29/1608—Silicon carbide
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- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/70—Bipolar devices
- H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
- H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
- H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
- H01L29/7395—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT
- H01L29/7396—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions
- H01L29/7397—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions and a gate structure lying on a slanted or vertical surface or formed in a groove, e.g. trench gate IGBT
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Abstract
Eine Leistungselektronikanordnung (1) wird präsentiert. 1. Die Leistungselektronikanordnung (1) ist zum Leiten eines Vorwärtsstroms (11) in einem Vorwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) und zum Leiten eines Rückwärtsstroms (12) in einem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) konfiguriert. Die Leistungselektronikanordnung (1) umfasst Folgendes: eine Halbleiterschalterstruktur (2), die zum Annehmen eines vorwärts leitenden Zustands konfiguriert ist, wobei eine stationäre Stromführungsfähigkeit der Halbleiterschalterstruktur (2) in dem vorwärts leitenden Zustand durch einen Nennstrom (Inom) charakterisiert ist und wobei die Halbleiterschalterstruktur (2) in dem vorwärts leitenden Zustand zum Leiten von wenigstens einem Teil des Vorwärtsstroms (11) in dem Vorwärtsstrommodus der Leistungselektronikanordnung (1) konfiguriert ist; eine Diodenstruktur (3), die elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur (2) antiparallel verbunden ist und zum Leiten von wenigstens einem Teil des Rückwärtsstroms in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) konfiguriert ist; und eine rückwärts leitende Struktur (4), die monolithisch mit der Halbleiterschalterstruktur (2) integriert ist. In dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) leitet die rückwärts leitende Struktur (4) weniger als 10 % des Rückwärtsstroms (12), falls der Betrag des Rückwärtsstroms (12) gleich einem oder kleiner als ein erster kritischer Rückwärtsstromwert (IRC1) ist, wobei der erste kritische Rückwärtsstromwert (IRC1) wenigstens den Nennstrom (Inom) beträgt. Ferner leitet in dem Rückwärtsmodus die rückwärts leitende Struktur (4) wenigstens 20 % des Rückwärtsstroms (12), falls der Betrag des Rückwärtsstroms (12) gleich einem oder größer als ein zweiter kritischer Rückwärtsstromwert (IRC2) ist, wobei der zweite kritische Rückwärtsstromwert (IRC2) höchstens das 10-Fache des Nennstroms (Inom) beträgt.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Diese Beschreibung bezieht sich auf Ausführungsformen einer Leistungselektronikanordnung und Ausführungsformen eines Leistungselektronikmoduls, das mehrere solche Leistungselektronikanordnungen umfasst. Insbesondere betrifft diese Beschreibung Ausführungsformen einer Leistungselektronikanordnung, die einen Halbleiterschalter, eine Diodenstruktur und eine rückwärts leitende Struktur umfassen, und Ausführungsformen eines Leistungselektronikmoduls, das mehrere solche Leistungselektronikanordnungen umfasst.
- HINTERGRUND
- Viele Funktionen moderner Vorrichtungen in Automobil-, Verbraucher- und Industrieanwendungen, wie etwa das Umwandeln elektrischer Energie und das Antreiben eines Elektromotors oder einer Elektromaschine, sind auf Leistungselektronikanordnungen angewiesen, die Halbleitervorrichtungen umfassen. Leistungselektronikanordnungen, die Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Thyristoren, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Dioden umfassen, um nur einige zu nennen, wurden zum Beispiel für verschiedenste Anwendungen verwendet, einschließlich unter anderem für Schalter in Leistungsantrieben, Leistungsversorgungen und Leistungswandlern.
- Häufig umfasst eine solche Leistungselektronikanordnung einen Halbleiterschalter, z. B. einen IGBT, und eine Diode, die antiparallel mit diesem verbunden ist, wobei die Diode zum Beispiel als eine Freilaufdiode fungieren kann. Eine solche Leistungselektronikanordnung kann in einem Vorwärtsmodus, in dem der Halbleiterschalter wenigstens einen Teil eines Vorwärtsstroms leitet, und in einem Rückwärtsmodus, in dem die Diode wenigstens einen Teil eines Rückwärtsstroms leitet, betrieben werden.
- Unter gewissen Betriebsbedingungen, wie etwa beispielsweise einem Pulssperrmodus des Schalters nach einer Fehlerdetektion, muss ein Laststrom durch die Diode fließen, was eine relativ hohe Stoßstrombelastbarkeit der Diode erfordert. Zum Beispiel kann eine ausreichende Stoßstrombelastbarkeit sichergestellt werden, indem ein relativ großer aktiver Bereich der Diode bereitgestellt wird. Jedoch geht dies allgemein auf Kosten höherer Schaltverluste.
- Bei gewissen Anwendungen, z. B. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs(HVDC: High Voltage Direct Current)-Anwendungen, werden manchmal zusätzliche Vorrichtungen, wie etwa Thyristoren, für Stoßstromereignisse bereitgestellt. Während diese Lösung eine vollständige Optimierung der Dioden ohne Einschränkungen mit Blick auf den Stoßstrom ermöglichen kann, ist sie im Allgemeinen aufgrund der Notwendigkeit für z. B. eine dedizierte Steuerplatine zum Zünden des Thyristors teuer.
- Es ist daher allgemein wünschenswert, eine hohe Stoßstrombelastbarkeit einer Leistungselektronikanordnung zu ermöglichen, während zur gleichen Zeit eine Optimierung elektrischer Eigenschaften mit Bezug auf normale Betriebsmodi der Leistungselektronikanordnung ermöglicht wird.
- KURZDARSTELLUNG
- Gemäß einer Ausführungsform ist eine Leistungselektronikanordnung zum Leiten eines Vorwärtsstroms in einem Vorwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung und zum Leiten eines Rückwärtsstroms in einem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung konfiguriert. Die Leistungselektronikanordnung umfasst Folgendes: eine Halbleiterschalterstruktur, die zum Annehmen eines vorwärts leitenden Zustands konfiguriert ist, wobei eine stationäre Stromführungsfähigkeit der Halbleiterschalterstruktur in dem vorwärts leitenden Zustand durch einen Nennstrom charakterisiert ist und wobei die Halbleiterschalterstruktur in dem vorwärts leitenden Zustand zum Leiten von wenigstens einem Teil des Vorwärtsstroms in dem Vorwärtsstrommodus der Leistungselektronikanordnung konfiguriert ist; eine Diodenstruktur, die elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur antiparallel verbunden ist und zum Leiten von wenigstens einem Teil des Rückwärtsstroms in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung konfiguriert ist; und eine rückwärts leitende Struktur, die monolithisch mit der Halbleiterschalterstruktur integriert ist. In dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung leitet die rückwärts leitende Struktur weniger als 10 % des Rückwärtsstroms, falls der Betrag des Rückwärtsstroms gleich einem oder kleiner als ein erster kritischer Rückwärtsstromwert ist, wobei der erste kritische Rückwärtsstromwert wenigstens den Nennstrom beträgt. Ferner leitet in dem Rückwärtsmodus die rückwärts leitende Struktur wenigstens 20 % des Rückwärtsstroms, falls der Betrag des Rückwärtsstroms gleich einem oder größer als ein zweiter kritischer Rückwärtsstromwert ist, wobei der zweite kritische Rückwärtsstromwert höchsten das 10-Fache des Nennstroms beträgt.
- Gemäß einer anderen Ausführungsform ist eine Leistungselektronikanordnung zum Leiten eines Vorwärtsstroms in einem Vorwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung und zum Leiten eines Rückwärtsstroms in einem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung konfiguriert. Die Leistungselektronikanordnung umfasst Folgendes: eine Halbleiterschalterstruktur, die zum Annehmen eines vorwärts leitenden Zustands konfiguriert ist, wobei eine stationäre Stromführungsfähigkeit der Halbleiterschalterstruktur in dem vorwärts leitenden Zustand durch einen Nennstrom charakterisiert ist und wobei die Halbleiterschalterstruktur in dem vorwärts leitenden Zustand zum Leiten von wenigstens einem Teil des Vorwärtsstroms in dem Vorwärtsstrommodus der Leistungselektronikanordnung konfiguriert ist; eine Diodenstruktur, die elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur antiparallel verbunden ist und zum Leiten von wenigstens einem Teil des Rückwärtsstroms in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung konfiguriert ist; und eine Thyristorstruktur, die elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur antiparallel verbunden ist, wobei eine Vorwärtskippspannung der Thyristorstruktur niedriger als eine Diodendurchlassspannung VF0 der Diodenstruktur bei einem kritischen Diodenstromwert ist, wobei der kritische Diodenstromwert höchstens das Fünffache des Nennstroms beträgt.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Leistungselektronikmodul mehrere solcher Leistungselektronikanordnungen, wobei die Summe aktiver Bereiche der Diodenstrukuren in einem Bereich von 10 % bis 60 % der Summe aktiver Bereiche der Halbleiterschalterstrukturen liegt.
- Zusätzliche Merkmale und Vorteile werden für einen Fachmann bei der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung und bei der Betrachtung der begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
- Figurenliste
- Die Teile in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird Wert auf die Veranschaulichung von Prinzipien der Erfindung gelegt. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. In den Zeichnungen gilt:
-
1 veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Leistungselektronikanordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
2 veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Leistungselektronikanordnung, die eine Leistungshalbleitervorrichtung umfasst, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
3A veranschaulicht schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts der Leistungshalbleitervorrichtung in2 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ; -
3B veranschaulicht schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts der Leistungshalbleitervorrichtung in2 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
3C veranschaulicht schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts der Leistungshalbleitervorrichtung in2 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
4 veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Leistungselektronikanordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
5 veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Leistungselektronikanordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
6A veranschaulicht schematisch und beispielhaft ein Diodenstruktur-Strom-Spannung-Diagramm in einem Rückwärtsmodus einer Leistungselektronikanordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
6B veranschaulicht schematisch und beispielhaft ein Thyristorstruktur-Strom-Spannung-Diagramm in einem Rückwärtsmodus einer Leistungselektronikanordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
6C veranschaulicht schematisch und beispielhaft ein Strom-Spannung-Diagramm in einem Rückwärtsmodus einer Leistungselektronikanordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; -
6D zeigt die Strom-Spannungs-Kurven aus6A-C in einem Diagramm; -
7A veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Hysterese in dem Diodenstruktur-Strom-Spannung-Diagramm aus6A ; -
7B veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Hysterese in dem Thyristorstruktur-Strom-Spannung-Diagramm aus6B ; -
7C veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Hysterese in dem Strom-Spannung-Diagramm aus6C ; -
7D zeigt die Strom-Spannungs-Kurven aus7A-C in einem Diagramm; und -
8 veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Hysterese eines Anteils eines Thyristorstroms in einem Rückwärtsstrom entsprechend den Diagrammen aus7A-7D . - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
- In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezielle Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann.
- In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „unterhalb“, „vor“, „hinter“, „rück“, „anführend“, „anhängend“, „unter“, „über“ usw. unter Bezugnahme auf die Orientierung der beschriebenen Figuren verwendet. Weil Teile von Ausführungsformen in einer Reihe verschiedener Orientierungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise beschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinn zu verstehen und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
- Es wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Figuren veranschaulicht sind. Jedes Beispiel wird als Erklärung bereitgestellt und soll die Erfindung nicht beschränken. Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben werden, können beispielsweise auf andere Ausführungsformen angewandt oder mit diesen kombiniert verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Die vorliegende Erfindung soll solche Modifikationen und Variationen einschließen. Die Beispiele werden unter Gebrauch einer speziellen Sprache beschrieben, die nicht als den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche beschränkend ausgelegt werden soll. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich veranschaulichenden Zwecken. Zum Zwecke der Klarheit wurden in den verschiedenen Zeichnungen die gleichen Elemente oder Herstellungsschritte mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, sofern nichts anderes angegeben ist.
- Der Ausdruck „horizontal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung im Wesentlichen parallel zu einer horizontalen Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder einer Halbleiterstruktur beschreiben. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Halbleiterwafers oder eines Dies sein. Sowohl die unten erwähnte erste laterale Richtung X als auch die zweite laterale Richtung Y können beispielsweise horizontale Richtungen sein, wobei die erste laterale Richtung X und die zweite laterale Richtung Y senkrecht zueinander sein können.
- Der Ausdruck „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der horizontalen Oberfläche ausgerichtet ist, d. h. parallel zu der Normalen der Oberfläche des Halbleiterwafers. Die unten erwähnte Ausdehnungsrichtung Z kann zum Beispiel eine Ausdehnungsrichtung sein, die sowohl zur ersten lateralen Richtung X als auch zur zweiten lateralen Richtung Y senkrecht ist.
- In dieser Beschreibung wird n-dotiert als ein „erster Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet, wohingegen p-dotiert als ein „zweiter Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet wird. Alternativ dazu können umgekehrte Dotierungsbeziehungen eingesetzt werden, so dass der erste Leitfähigkeitstyp p-dotiert und der zweite Leitfähigkeitstyp n-dotiert sein kann.
- Ferner kann sich der Ausdruck „Dotierungsstoffkonzentration“ in dieser Beschreibung auf eine durchschnittliche Dotierungsstoffkonzentration bzw. auf eine mittlere Dotierungsstoffkonzentration oder auf eine Flächenladungsträgerkonzentration eines speziellen Halbleitergebiets oder einer speziellen Halbleiterzone beziehen. Demnach kann z. B. eine Aussage, dass ein spezielles Halbleitergebiet eine bestimmte Dotierungsstoffkonzentration aufweist, die vergleichsweise höher oder niedriger als eine Dotierungsstoffkonzentration eines anderen Halbleitergebiets ist, angeben, dass sich die entsprechenden mittleren Dotierungsstoffkonzentrationen der Halbleitergebiete voneinander unterscheiden.
- In dem Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung sollen die Ausdrücke „in ohmschem Kontakt“, „in elektrischem Kontakt“, „in ohmscher Verbindung“ und „elektrisch verbunden“ beschreiben, dass eine niederohmige elektrische Verbindung oder ein niederohmiger Strompfad zwischen zwei Gebieten, Abschnitten, Zonen, Anteilen oder Teilen einer Halbleitervorrichtung oder zwischen verschiedenen Anschlüssen einer oder mehrerer Vorrichtungen oder zwischen einem Anschluss oder einer Metallisierung oder einer Elektrode und einem Anteil oder einem Teil einer Halbleitervorrichtung vorliegt. Ferner soll der Ausdruck „in Kontakt“ in dem Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung beschreiben, dass eine direkte physische Verbindung zwischen zwei Elementen der entsprechenden Halbleitervorrichtung vorliegt; z. B. beinhaltet ein Übergang zwischen zwei miteinander in Kontakt stehenden Elementen möglicherweise kein weiteres Zwischenelement oder dergleichen.
- Zusätzlich wird in dem Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung der Ausdruck „elektrische Isolation“ in dem Kontext seines allgemein gültigen Verständnisses, falls nicht anderweitig angegeben, verwendet und soll somit beschreiben, dass zwei oder mehr Komponenten getrennt voneinander positioniert sind und dass es keine ohmsche Verbindung gibt, die diese Komponenten verbindet. Jedoch können Komponenten, die voneinander elektrisch isoliert sind, trotzdem miteinander gekoppelt, beispielsweise mechanisch gekoppelt und/oder kapazitiv gekoppelt und/oder induktiv gekoppelt, sein. Um ein Beispiel anzuführen, können zwei Elektroden eines Kondensators elektrisch voneinander isoliert sein und können gleichzeitig mechanisch und kapazitiv miteinander gekoppelt sein, z. B. mittels einer Isolierung, z. B. eines Dielektrikums.
- Spezielle in dieser Beschreibung beschriebene Ausführungsformen betreffen, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Leistungshalbleitervorrichtung, die eine Streifenzellen- oder Nadelzellenkonfiguration aufweist, wie etwa einen Leistungshalbleitertransistor, der innerhalb eines Leistungswandlers oder einer Leistungsversorgung verwendet werden kann. Somit ist die Halbleitervorrichtung bei einer Ausführungsform dazu konfiguriert, einen Laststrom zu führen, der einer Last zugeführt werden soll und/oder der entsprechend von einer Leistungsversorgung bereitgestellt wird. Beispielsweise kann die Halbleitervorrichtung eine oder mehrere aktive Leistungseinheitszellen umfassen, wie etwa eine monolithisch integrierte Diodenzelle und/oder eine monolithisch integrierte Transistorzelle und/oder eine monolithisch integrierte IGBT-Zelle und/oder eine monolithisch integrierte RC-IGBT-Zelle und/oder eine monolithisch integrierte MOS-Gated-Diode(MGD)-Zelle und/oder eine monolithisch integrierte MOSFET-Zelle und/oder Ableitungen davon. Eine solche Diodenzelle und/oder solche Transistorzellen können in einem Leistungshalbleitermodul integriert sein. Mehrere solcher Zellen können ein Zellenfeld darstellen, das mit einem aktiven Gebiet der Leistungshalbleitervorrichtung angeordnet ist.
- Der Ausdruck „Leistungshalbleitervorrichtung“, wie in dieser Beschreibung verwendet, soll eine Halbleitervorrichtung auf einem einzigen Chip mit hohen Spannungssperr- und/oder hohen Stromführungsfähigkeiten beschreiben. Mit anderen Worten ist eine solche Leistungshalbleitervorrichtung für einen starken Strom, typischerweise im Ampere-Bereich, z. B. von bis zu einigen zehn oder hundert Ampere oder sogar bis zu mehreren kA, und/oder für hohe Spannungen, typischerweise oberhalb von 100 V, typischer 500 V und darüber, z. B. bis wenigstens 1kV, bis wenigstens 3 kV, gedacht. Zum Beispiel kann die unten beschriebene Halbleitervorrichtung eine Halbleitervorrichtung sein, die eine Streifenzellenkonfiguration oder eine Nadelzellenkonfiguration aufweist und die dazu konfiguriert sein kann, als eine Leistungskomponente in einer Anwendung mit niedriger, mittlerer und/oder hoher Spannung eingesetzt zu werden.
- Zum Beispiel bezieht sich der Ausdruck „Leistungshalbleitervorrichtung“, wie in dieser Beschreibung verwendet, nicht auf logische Halbleitervorrichtungen, die z. B. zum Speichern von Daten, Berechnen von Daten und/oder für andere Arten von halbleiterbasierter Datenverarbeitung verwendet werden.
-
1 veranschaulicht eine Leistungselektronikanordnung1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft. Die Leistungselektronikanordnung1 ist dazu konfiguriert, in einem Vorwärtsmodus, in dem sie einen Vorwärtsstrom11 leitet, und in einem Rückwärtsmodus, in dem sie einen Rückwärtsstrom12 in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Vorwärtsstrom11 leitet, betrieben zu werden. Die Leistungselektronikanordnung1 umfasst eine Halbleiterschalterstruktur2 , eine Diodenstruktur3 und eine rückwärts leitende Struktur4 , die elektrisch miteinander in einer parallelen oder antiparallelen Konfiguration verbunden sind. - Die Halbleiterschalterstruktur
2 ist zum Annehmen eines vorwärts leitenden Zustands konfiguriert, in dem sie wenigstens einen Teil des Vorwärtsstroms11 , der durch die Leistungselektronikanordnung1 fließt, leitet. Zum Beispiel ist die Halbleiterschalterstruktur2 bei einer Ausführungsform ein IGBT, wie etwa ein siliciumbasierter IGBT, oder umfasst diesen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Halbleiterschalterstruktur2 ein MOSFET, wie etwa z. B. ein siliciumcarbidbasierter MOSFET, oder umfasst diesen. Sie kann bei einer Ausführungsform auch ein HEMT basierend auf z. B. III/V-Halbleitern, wie z. B. GaN, sein. - Die Halbleiterschalterstruktur
2 kann einen Nennstrom Inom aufweisen. Zum Beispiel kann der Nennstrom Inom ein bemessener Nennstrom sein, z. B. gemäß einem Markierungscode und/oder Datenblatt, der/das mit der Halbleiterschalterstruktur2 assoziiert ist. Zum Beispiel kann der Nennstrom Inom eine stationäre Stromführungsfähigkeit der Halbleiterschalterstruktur2 in ihrem vorwärtsleitenden Zustand charakterisieren. Einem Fachmann sind übliche Wege zum Definieren eines Nennstroms in Abhängigkeit von z. B. thermischen Eigenschaften einer Halbleiterschaltvorrichtung bekannt, die eine stationäre Stromführungsfähigkeit beschränken können. - Zum Beispiel kann die Halbleiterschalterstruktur
2 einen Halbleiterkörper einschließlich eines pn-Übergangs umfassen, der zum Sperren einer Vorwärtssperrspannung der Halbleiterschalterstruktur in einem vorwärtssperrenden Zustand der Halbleiterschalterstruktur2 konfiguriert sein kann. Der Halbleiterkörper kann durch ein Gehäuse umhüllt sein. Ferner kann die Halbleiterschalterstruktur2 einen thermischen Widerstand Rthjc zwischen Halbleiterübergang und Gehäuse- aufweisen, der eine stationäre Wärmetransportfähigkeit zwischen dem pn-Übergang und dem Gehäuse charakterisiert. Zum Beispiel kann der thermische Widerstand Rthjc zwischen Halbleiterübergang und Gehäuse ein thermischen Nennwiderstand Rthjc zwischen Halbleiterübergang und Gehäuse sein, z. B. gemäß einem mit der Halbleiterschalterstruktur2 assoziierten Datenblatt. - Ferner kann die Halbleiterschalterstruktur
2 dazu konfiguriert sein, kontinuierlich in dem vorwärtsleitenden Zustand bei einer maximalen Übergangstemperatur Tjmax des pn-Übergangs und einer maximalen Betriebsgehäusetemperatur Tc des Gehäuses betrieben zu werden. Zum Beispiel kann die maximale Übergangstemperatur Tjmax eine maximale Nennübergangstemperatur sein, z. B. gemäß einem mit der Halbleiterschalterstruktur2 assoziierten Datenblatt. Bei einer Ausführungsform beträgt die maximale Übergangstemperatur Tjmax wenigstens 150 °C oder etwa wenigstens 175 °C. Zum Beispiel kann die maximale Übergangstemperatur Tjmax 175 °C betragen. Die maximale Betriebsgehäusetemperatur Tc kann eine maximale Nennbetriebsgehäusetemperatur Tc sein, z. B. gemäß einem mit der Halbleiterschalterstruktur2 assoziierten Datenblatt. Zum Beispiel kann bei einer Ausführungsform die maximale Betriebsgehäusetemperatur Tc höchstens 100 °C, wie etwa höchstens 80 °C, betragen. Die maximale Betriebsgehäusetemperatur Tc ist niedriger als die maximale Übergangstemperatur Tjmax. Zum Beispiel kann eine Differenz zwischen der maximalen Übergangstemperatur und der maximalen Betriebsgehäusetemperatur wenigstens 50 K betragen. Bei dem Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Betriebsgehäusetemperatur Tc höchstens 100 °C und beträgt die maximale Übergangstemperatur Tjmax höchstens 150 °C. - Der Betrieb der Halbleiterschalterstruktur
2 in dem vorwärtsleitenden Zustand bei der maximalen Übergangstemperatur Tjmax kann durch eine Schalterstruktur-Ein-Zustand-Spannung Von charakterisiert werden. Zum Beispiel kann, falls die Halbleiterschalterstruktur2 ein IGBT ist oder diesen umfasst, die Schalterstruktur-Ein-Zustand-Spannung eine Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT sein. Als ein anderes Beispiel kann, falls die Halbleiterschalterstruktur2 ein MOSFET ist oder diesen umfasst, die Schalterstruktur-Ein-Zustand-Spannung eine Source-Drain-Spannung des MOSFET sein. Der Nennstrom Inom kann die folgende Gleichung erfüllen: - Die Diodenstruktur
3 der Leistungselektronikanordnung ist elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur2 antiparallel verbunden. Das heißt, dass eine Vorwärtsrichtung der Diodenstruktur3 (wie z. B. durch einen in der Diodenstruktur2 enthaltenen pn-Übergang definiert) entgegensetzt zu einer Vorwärtsrichtung der Halbleiterschalterstruktur2 gerichtet ist, d. h. entgegengesetzt zu der Richtung, in der die Halbleiterschalterstruktur2 einen Strom in ihrem vorwärtsleitenden Zustand leitet. Die Diodenstruktur3 kann zum Leiten von wenigstens einem Teil des Rückwärtsstroms in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung1 konfiguriert sein. Zum Beispiel kann die Diodenstruktur3 während eines Betriebs der Leistungselektronikanordnung1 als eine Freilaufdiode fungieren. - Zum Beispiel ist die Diodenstruktur
3 eine Leistungsdiode, wie etwa eine Silicium- oder Siliciumcarbiddiode, oder umfasst diese. Bei einer Ausführungsform, wie unten ausführlicher beschrieben, kann die Diodenstruktur3 separat von der Halbleiterschalterstruktur2 , z. B. auf einem separaten Chip und/oder als separate Vorrichtung, bereitgestellt werden. Bei einer anderen Ausführungsform, wie ebenfalls unten ausführlicher beschrieben, kann die Diodenstruktur3 monolithisch mit der Halbleiterschalterstruktur2 integriert sein. Zum Beispiel kann bei einer Ausführungsform, bei der die Leistungselektronikanordnung einen MOSFET (etwa einen Siliciumcarbid-MOSFET) umfasst, eine Körperdiode des MOSFET wenigstens einen Teil der Diodenstruktur3 bilden. - Die rückwärts leitende Struktur
4 der Leistungselektronikanordnung1 kann zum Leiten eines Teils des Rückwärtsstroms2 in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Leistungselektronikanordnung1 , z. B. in Abhängigkeit von dem Betrag des Rückwärtsstroms12 , konfiguriert sein. Zum Beispiel leitet die rückwärts leitende Struktur4 unter normalen Betriebsbedingungen möglicherweise keinen Rückwärtsstrom oder nur einen relativ kleinen Teil des Rückwärtsstroms12 in dem Rückwärtsmodus. Unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wie etwa z. B. einer Stoßstrombedingung in dem Rückwärtsmodus, kann die rückwärts leitende Struktur4 einen erheblich größeren Teil des Rückwärtsstroms12 leiten. - Zum Beispiel leitet bei einer Ausführungsform die rückwärts leitende Struktur
4 weniger als 10 % des Rückwärtsstroms12 , falls der Betrag des Rückwärtsstroms12 gleich einem oder kleiner als ein erster kritischer RückwärtsstromwertIRC1 ist, wobei der erste kritische RückwärtsstromwertIRC1 wenigstens zweimal den Nennstrom Inom, wie etwa z. B. wenigstens dreimal den Nennstrom Inom, beträgt. Ferner kann die rückwärts leitende Struktur4 wenigstens 20 % des Rückwärtsstroms oder sogar wenigstens 40 % des Rückwärtsstroms12 leiten, falls der Betrag des Rückwärtsstroms12 gleich einem oder größer als ein zweiter kritischer RückwärtsstromwertIRC2 ist, wobei der zweite kritische RückwärtsstromwertIRC2 höchstens das 10-Fache, wie etwa z. B. höchstens das 5-Fache, des Nennstroms Inom beträgt. - Bei einer Ausführungsform umfasst die rückwärts leitende Struktur
4 eine Zener-Diode. Bei anderen Ausführungsformen umfasst die rückwärts leitenden Struktur4 , wie unten ausführlicher erklärt wird, eine Thyristorstruktur40 , die monolithisch mit der Halbleiterschalterstruktur2 integriert sein kann oder nicht. Die Thyristorstruktur40 kann elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur2 antiparallel verbunden sein. Das heißt, dass eine Vorwärtsrichtung der Thyristorstruktur40 (wie z. B. durch eine in der Thyristorstruktur2 enthaltenen npnp-Abfolge von Halbleitergebieten definiert) entgegensetzt zu einer Vorwärtsrichtung der Halbleiterschalterstruktur2 gerichtet sein kann, d. h. entgegengesetzt zu der Richtung, in der die Halbleiterschalterstruktur2 einen Strom in ihrem vorwärtsleitenden Zustand leitet. Die Vorwärtsrichtung der Thyristorstruktur40 kann auch als die Richtung charakterisiert werden, die mit einem Sperrmodus sowie mit einem (vorwärts) leitenden Modus assoziiert ist, wohingegen die entgegengesetzte Richtung nur mit einem (Rückwärts-) Sperrmodus der Thyristorstruktur40 assoziiert ist. Die rückwärts leitende Struktur4 kann monolithisch mit der Halbleiterschalterstruktur2 integriert sein oder nicht, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele erklärt wird. -
2 veranschaulicht eine Leistungshalbleiteranordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beispielhaft und schematisch, wobei die Halbleiterschalterstruktur ein IGBT20 ist und die rückwärts leitende Struktur4 in der Form einer Thyristorstruktur40 bereitgestellt ist. Der IGBT20 und die Thyristorstruktur40 sind monolithisch in einer Leistungshalbleitervorrichtung5 integriert. Der linke Zweig des Schaltbildes in2 veranschaulicht einen äquivalenten Schaltkreis der Leistungshalbleitervorrichtung5 . Ein Fachmann ist mit den in2 verwendeten Symbolen für den IGBT20 , die Thyristorstruktur40 und die Diode3 vertraut. Zum Beispiel kann in2 der Widerstand43 einer ohmschen Verbindung zwischen einer p-Basis der Thyristorstruktur40 und einem p-Emitter des IGBT20 entsprechen (vergleiche das Rückseitenemittergebiet102 in3A) . -
3A-3C veranschaulichen jeweils Abschnitte eines vertikalen Querschnitts der Leistungshalbleitervorrichtung5 aus2 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft. Die Leistungshalbleitervorrichtung5 umfasst einen Halbleiterkörper10 , der eine Vorderseite10 -1 , die mit einer ersten Lastanschlussstruktur11 gekoppelt ist, und eine Rückseite10 -2 , die mit einer zweiten Lastanschlussstruktur12 gekoppelt ist, aufweist und zum Leiten von wenigstens einem Teil des Vorwärtsstroms11 zwischen der zweiten Lastanschlussstruktur12 und der ersten Lastanschlussstruktur11 konfiguriert ist. Zum Beispiel kann die erste Lastanschlussstruktur11 eine Vorderseitenmetallisierung umfassen und kann die zweite Lastanschlussstruktur12 eine Rückseitenmetallisierung umfassen. Der Halbleiterkörper10 umfasst ein Driftgebiet100 eines ersten Leitfähigkeitstyps (z. B. n-Typs). Das Driftgebiet100 kann ein Feldstoppgebiet100 -1 umfassen, wobei das Feldstoppgebiet100 -1 Dotierungsstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Konzentration als Teile des Driftgebiets100 außerhalb des Feldstoppgebiets100 -1 aufweist. Ferner sind mehrere IGBT-Steuerzellen14 auf der Vorderseite10 -2 in Kontakt mit der ersten Lastanschlussstruktur11 angeordnet, wobei die IGBT-Steuerzellen14 wenigstens teilweise in dem Halbleiterkörper10 enthalten sein können. Jede IGBT-Steuerzelle14 kann zum Beispiel einen Gate-Graben15 , der eine Gate-Elektrode16 und eine Isolationsstruktur150 umfasst, wenigstens einen Source-Gebiet104 des ersten Leitfähigkeitstyps, ein Körpergebiet103 des zweiten Leitfähigkeitstyps, der zu dem ersten Leitfähigkeitstyp komplementär ist, und einen Teil des Driftgebiets100 umfassen. Ferner ist ein pn-Übergang 109 bei einem Übergang zwischen dem Körpergebiet103 und dem Drift-Gebiet100 gebildet. Konfigurationen solcher IGBT-Zellen14 sind einem Fachmann wohlbekannt und werden daher nicht ausführlich erklärt. - Der Halbleiterkörper
10 umfasst ferner ein Rückseitenemittergebiet102 des zweiten Leitfähigkeitstyps (z. B. p-Typs), wobei das Rückseitenemittergebiet102 auf der Rückseite10-2 in Kontakt mit der zweiten Lastanschlussstruktur12 angeordnet ist. Außerdem umfasst der Halbleiterkörper10 ein Thyristoremittergebiet106 des ersten Leitfähigkeitstyps (z. B. n+-Typs), das auf der Rückseite10-2 in Kontakt mit der zweiten Lastanschlussstruktur12 angeordnet ist. Das Thyristoremittergebiet106 ist von dem Driftgebiet100 durch ein Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps (z. B. p-Typs) isoliert. Zum Beispiel isoliert bei dem Ausführungsbeispiel aus3A ein Teil des Rückseitenemittergebiets102 das Thyristoremittergebiet106 von dem Driftgebiet100 . Bei anderen Ausführungsformen, wie in3B-C veranschaulicht, können zusätzliche Halbleitergebiete101-1 ,102-2 des zweiten Leitfähigkeitstyps zum Isolieren des Thyristoremittergebiets106 von dem Driftgebiet100 bereitgestellt sein. - Der npnp-Stapel (oder alternativ pnpn-Stapel) des Thyristoremittergebiets
106 , des Halbleitergebiets102 ,102-1 ,102-2 , das das Thyristoremittergebiet106 von dem Driftgebiet100 isoliert, des Driftgebiets100 und des Körpergebiets103 kann dementsprechend einen funktionalen Teil der Thyristorstruktur40 bilden, die monolithisch mit dem IGBT20 integriert ist, der damit antiparallel verbunden ist. Zum Beispiel kann die laterale Ausdehnung Lx des Thyristoremittergebiets106 ein Thyristorgebiet401 der Halbleitervorrichtung5 definieren. Entsprechend können Gebiete, in denen das Thyristoremittergebiet106 fehlt, ein oder mehrere IGBT-Gebiete201 definieren. Es ist jedoch anzumerken, dass IGBT-Steuerzellen14 möglicherweise nicht nur innerhalb der IGBT-Gebiete201 angeordnet sind, sondern auch in dem Thyristorgebiet401 . Mit anderen Worten kann bei einer Ausführungsform das Thyristoremittergebiet106 eine laterale Überlappung mit den mehreren IGBT-Steuerzellen14 aufweisen. Es ist anzumerken, dass sowohl eine Vorwärtskippspannung Vfwbr, eine Haltespannung Vh als auch ein Haltestrom Ih der Thyristorstruktur40 angepasst werden können, indem eine Dotierungsstoffkonzentration innerhalb des Halbleitergebiets des zweiten Leitfähigkeitstyps gewählt wird, das das Thyristoremittergebiet106 von dem Driftgebiet100 isoliert. Zum Beispiel können sowohl die Vorwärtskippspannung Vfwbr, die Haltespannung Vh als auch der Haltestrom Ih verringert werden, indem die Konzentration von Dotierungsstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps in dem Halbleitergebiet verringert wird, und umgekehrt. - Zum Beispiel kann die laterale Ausdehnung Lx gleich oder kleiner als zweimal eine vertikale Ausdehnung Lz (d. h. eine Dicke) des Halbleiterkörpers
10 sein. Es ist anzumerken, dass sowohl die Vorwärtskippspannung Vfwbr, die Haltespannung Vh als auch der Haltestrom Ih der Thyristorstruktur40 auch angepasst werden können, indem eine angemessene laterale Ausdehnung Lx des Thyristoremittergebiets106 gewählt wird. Zum Beispiel können sowohl die Vorwärtskippspannung Vfwbr, die Haltespannung Vh als auch der Haltestrom Ih verringert werden, indem die laterale Ausdehnung Lx erhöht wird, und umgekehrt. Ferner umfasst bei einer Ausführungsform der Halbleiterkörper10 mehrere solche Thyristoremittergebiete106 , die über eine laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers10 verteilt sind, wodurch mehrere solche Thyristorgebiete401 definiert werden (in dem in3A-C dargestellten Abschnitt des vertikalen Querschnitts nicht veranschaulicht). -
4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung1 aus1 schematisch und beispielhaft. Bei diesem Beispiel ist die Halbleiterschalterstruktur2 in der Form eines IGBT20 , wie etwa z. B. eines Silicium-IGBT, bereitgestellt. Eine Diode, wie etwa eine Siliciumcarbiddiode, ist als Diodenstruktur3 der Leistungselektronikanordnung1 bereitgestellt. Ferner umfasst die Leistungselektronikanordnung1 einen Thyristor40 . Zum Beispiel können der IGBT20 , die Diode3 und der Thyristor40 als separate Vorrichtung, wie etwa auf separaten Chips, bereitgestellt sein. -
5 veranschaulicht noch eine andere Ausführungsform einer Leistungshalbleiteranordnung1 gemäß1 schematisch und beispielhaft. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterschalterstruktur2 und die Diodenstruktur3 in einem MOSFET23 kombiniert. Zum Beispiel ist der MOSFET23 ein Siliciumcarbid-MOSFET. Zum Beispiel ist die Diodenstruktur3 durch eine Körperdiode des MOSFET23 bereitgestellt. Bei einer solchen Anordnung kann in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung1 wenigstens ein Teil des Rückwärtsstroms12 durch die Körperdiode3 des MOSFET23 oder durch den MOSFET selbst mit dem Kanal eingeschaltet geführt werden. Ferner ist ein Thyristor40 bereitgestellt, der separat von dem MOSFET23 , wie etwa auf einem separaten Chip, angeordnet sein kann. - Im Folgenden wird der Betrieb in dem Rückwärtsmodus einer Leistungselektronikanordnung
1 , wobei die Leistungselektronikanordnung1 eine Thyristorstruktur40 umfasst, wie oben beschrieben ist, unter Bezugnahme auf6A-8 beschrieben. -
6A veranschaulicht eine Strom-Spannungs-KurveC1 der Diodenstruktur3 in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung1 . Die y-Achse des Diagramms in6A zeigt einen Diodenstrom Id, wobei der Maßstab der y-Achse auf den Betrag des Nennstroms Inom der Halbleiterschalterstruktur2 normiert ist. Die x-Achse zeigt die entsprechende Diodenspannung Vd der Diodenstruktur3 , d. h. die Vorwärtsspannung Vd der Diodenstruktur3 in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung1 . Der Maßstab der x-Achse ist auf eine Diodenvorwärtsspannung Vdnom der Diodenstruktur3 bei einem Diodenstrom Id, der den Nennstrom Inom beträgt, normiert. Ein Fachmann ist allgemein mit Diodenkennlinien, wie in6 gezeigt, vertraut. -
6B veranschaulicht eine Strom-Spannungs-KurveC2 der Thyristorstruktur40 in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung1 . Wie in6A zeigt die y-Achse des Diagramms in6B einen Thyristorstrom Ithyr in der Rückwärtsrichtung der Leistungselektronikanordnung1 (d. h. in einer Vorwärtsrichtung der Thyristorstruktur40 ). Der Maßstab der y-Achse ist auf den Betrag des Nennstroms Inom der Halbleiterschalterstruktur2 normiert. Die x-Achse zeigt die entsprechende Spannung Vthyr der Thyristorstruktur40 im Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung. Zum einfachen Vergleich ist der Maßstab der x-Achse der gleiche wie in6A, d . h. auf die Diodenvorwärtsspannung Vdnom normiert. Die Strom-Spannung-Kennlinie aus6B zeigt ein charakteristisches Zurückspringen der Thyristorspannung Vthyr bei einer Vorwärtskippspannung Vfwbr der Thyristorstruktur40 auf. Zum Beispiel wird die Thyristorstruktur40 bei der Vorwärtskippspannung Vfwbr gezündet. - Bei einer Ausführungsform kann die Vorwärtskippspannung Vfwbr der Thyristorstruktur
40 niedriger als eine Diodendurchlassspannung Vd0 der Diodenstruktur3 bei einem kritischen Diodenstromwert Id0 sein, wobei der kritische Diodenstromwert Id0 höchstens das Fünffache des Nennstroms Inom beträgt. Zum Beispiel ist bei einer Ausführungsform die Vorwärtskippspannung Vfwbr gleich oder kleiner als 10 V, wie etwa z. B. gleich oder kleiner als 8V. Ferner kann bei einer Ausführungsform die Vorwärtskippspannung wenigstens 3 V betragen. - Die Strom-Spannungs-Kurve
C2 , wie in6B gezeigt, ist ferner durch eine Haltespannung Vh der Thyristorstruktur40 gekennzeichnet. Ein Fachmann ist allgemein mit dem Konzept einer Haltespannung eines Transistors vertraut. Zum Beispiel entspricht die Haltespannung Vh einem Haltestrom Ih, der als der minimal notwendige Strom, um den Transistor in seinem gezündeten Zustand (d. h. seinem Ein-Zustand) zu halten, betrachtet werden kann. Mit anderen Worten schaltet sich die Thyristorstruktur40 aus, wenn sie von höheren Strömen kommt und dann auf unterhalb des Haltestroms Ih abfällt. - Bei einer Ausführungsform, wie beispielhaft in
6B veranschaulicht, ist die Haltespannung Vh der Thyristorstruktur2 höher als eine Diodenvorwärtsspannung Vdnom der Diodenstruktur3 bei dem Nennstrom Inom. - Ferner kann bei einer Ausführungsform, wie beispielhaft in
6A veranschaulicht, die Diodenstruktur3 in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung1 zum Leiten zwischen dem Nennstrom Inom und dem Vierfachen des Nennstroms Inom bei einer Spannung gleich einer Haltespannung Vh der Thyristorstruktur40 konfiguriert sein. - Hinsichtlich weiteren Eigenschaften der Thyristorstruktur
40 kann bei einer Ausführungsform eine Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur40 höher als die Vorwärtskippspannung Vfwbr sein. Falls die Thyristorstruktur40 monolithisch mit einem IGBT20 integriert ist, wie bei der Halbleitervorrichtung5 , die oben mit Bezug auf2-3C beschrieben ist, muss die Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur40 mit einem geschlossenen Gate der IGBT-Zellen14 definiert sein, die auch in einem Transistorgebiet401 der Halbleitervorrichtung5 vorhanden sein können. - Ferner kann bei einer Ausführungsform die Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur
40 wenigstens eine Nenndurchbruchspannung der Diodenstruktur3 betragen. Zum Beispiel kann die Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur40 wenigstens 90 % einer tatsächlichen Durchbruchspannung der Diodenstruktur3 betragen. -
6C veranschaulicht eine Strom-Spannungs-KurveC12 , die der Summe der in6A-B dargestellten Strom-Spannungs-KurvenC1 ,C2 entspricht. Unter der Annahme, dass die Halbleiterschalterstruktur2 selbst keinen signifikanten Teil des Rückwärtsstroms führt, entspricht die SummeC12 der KurvenC1 ,C2 im Wesentlichen dem Rückwärtsstrom12 . Daher ist in dem Diagramm aus6C die y-Achse mit 12 beschriftet. Die x-Achse zeigt die gesamte RückwärtsspannungV2 der Leistungselektronikanordnung1 , wobei aufgrund der Parallelverbindung der Diodenstruktur2 und der Thyristorstruktur14 die RückwärtsspannungV2 gleich der Diodenspannung Vd und der Thyristorspannung Vthyr ist. Auch hier ist der Maßstab der y-Achse auf den Betrag des Nennstroms Inom normiert und ist der Maßstab der x-Achse der gleiche wie in6A-B .6D zeigt die Strom-Spannungs-KurvenC1 ,C2 ,C12 aus6A-C in einem Diagramm. -
7A-C veranschaulichen jeweils eine Hysterese in dem entsprechenden Strom-Spannung-Diagramm aus6A-C schematisch und beispielhaft.7D zeigt die Strom-Spannungs-KurvenC1 ,C2 ,C12 aus7A-C in einem Diagramm. Im Folgenden wird die Hysterese hauptsächlich unter Bezugnahme auf die KurveC12 in7C beschrieben, die die Summe des Diodenstroms Id und des Thyristorstroms Ithyr (der im Wesentlichen dem Rückwärtsstrom12 entsprechen kann) darstellt. Zum Beispiel ist der Rückwärtsstrom bei einem anfänglichen Punkt p0 auf der KurveC12 null. Dann wird der Rückwärtsstrom12 zwischen den Punkten p0 und p1 rampenartig erhöht (z. B. aufgrund eines Stoßstromereignisses), wobei der Rückwärtsstrom12 im Wesentlichen kontinuierlich der DiodenkennlinieC1 (vergleiche7A) folgt. Der Grund ist, dass sich die Thyristorstruktur40 in dieser Phase in ihrem Aus-Zustand befindet und daher im Wesentlichen nicht zu der Leitung des Rückwärtsstroms12 beiträgt. Bei dem Punkt p1 erreicht die Thyristorspannung Vthyr die Vorwärtskippspannung Vfwbr (vergleiche C2 in7B) und wird die Thyristorstruktur40 plötzlich eingeschaltet. Infolgedessen findet ein Sprung zu dem Punkt p2 in der KurveC12 statt, wobei die Thyristorstruktur plötzlich einen großen Teil des Rückwärtsstroms12 übernimmt, wodurch die RückwärtsspannungV2 verringert wird. Diese Änderung findet auf einer sehr kurzen Zeitskala statt und ist als eine gestrichpunktete Linie in7C angegeben. Von dem Punkt p2 kann der Strom kontinuierlich entlang der KurveC12 zunehmen, wie durch den Pfeil in7C angegeben ist. Ab einem gewissen Punkt wird der Strom wieder entlang der KurveC12 abnehmen. Wenn der Thyristorstrom auf unterhalb des Haltestroms Ih der Thyristorstruktur40 abfällt, was bei dem Punkt p3 in der KurveC12 stattfindet, schaltet sich die Thyristorstruktur40 wieder aus und nimmt die RückwärtsspannungV2 plötzlich von dem Punkt p3 zu dem Punkt p4 zu. Dann kann der Rückwärtsstrom12 weiter auf dem unteren Zweig der KurveC12 kontinuierlich abnehmen (oder kann auf dem unteren Zweig der KurveC12 wieder zunehmen, bis er den Punkt p1 erreicht). - Die Hysterese der Kurve
C12 veranschaulicht, dass in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung1 die Thyristorstruktur40 höchstens einen sehr kleinen Anteil des Rückwärtsstroms12 leitet, falls der Rückwärtsstrom12 relativ klein ist. Jedoch kann bei sehr großen Rückwärtsströmen12 , wie etwa einem Rückwärtsstrom, der z. B. das Acht- oder Zehnfache des Nennstroms Inom der Halbleiterschalterstruktur2 beträgt, die Thyristorstruktur40 einen beträchtlichen Anteil des Rückwärtsstroms12 unterstützen, wodurch die Diodenstruktur3 entlastet wird. -
8 veranschaulicht eine Hysterese eines Anteils eines Thyristorstroms Ithyr in dem Rückwärtsstrom12 , wobei die Hysterese, die die Punkte p1-p4 beinhaltet, der in den Diagrammen aus7A-7C veranschaulichten entspricht Die KurveC3 zeigt, dass der Anteil des Thyristorstroms sehr klein verbleibt, wie etwa unterhalb von 10 %, z. B. unterhalb von 5 %, des Rückwärtsstroms, solange der Betrag des Rückwärtsstroms12 gleich einem oder kleiner als ein erster kritischer RückwärtsstromwertIRC1 ist. Zum Beispiel kann der Thyristorstrom im Wesentlichen null sein oder auf einen kleinen Vorwärtsleckstrom in diesem Regime begrenzt sein. Zum Beispiel ist der erste kritische RückwärtsstromwertIRC1 kleiner als der Haltestrom Ih. Wie in8 veranschaulicht, kann der erste kritische RückwärtsstromwertIRC1 wenigstens das Zweifache, wie etwa wenigstens das Dreifache, des Nennstroms Inom betragen. Dementsprechend kann die Thyristorstruktur40 im Wesentlichen nicht zu der Leitung des Rückwärtsstroms12 unter normalen Rückwärtsleitungsbedingungen beitragen, wenn der Betrag des Rückwärtsstroms12 von der Größenordnung des Nennstroms Inom ist. - Andererseits kann die Thyristorstruktur
40 einen beträchtlichen Anteil des Rückwärtsstroms12 , wie etwa z. B. wenigstens 20 %, wie etwa wenigstens 30 % oder sogar wenigstens 40 %, des Rückwärtsstroms12 leiten, falls der Betrag des Rückwärtsstroms12 gleich oder größer als ein zweiter kritischer RückwärtsstromwertIRC2 ist. Wie beispielhaft veranschaulicht, kann sich der zweite kritische RückwärtsstromwertIRC2 rechts von den Punkten p1 und p2 in8 befinden. Bei einer Ausführungsform beträgt der zweite kritische RückwärtsstromwertIRC2 höchstens das 10-Fache, wie etwa z. B. höchstens das 5-Fache, des Nennstroms Inom. Zum Beispiel kann die Thyristorstruktur40 zum Leiten eines beträchtlichen Teils des Rückwärtsstroms12 nur unter typischen Stoßstrombedingungen konfiguriert sein. Zum Beispiel kann die Diodenstruktur3 dementsprechend unter Stoßstrombedingungen entlastet werden. Zum Beispiel kann ein Spannungsabfall an der Diodenstruktur3 , der auftreten würde, falls die Diodenstruktur3 (allein genommen) den zweiten kritischen Rückwärtsstrom12 unterstützen müsste, größer als die Vorwärtskippspannung Vfwbr der Thyristorstruktur40 sein. - Mit Bezug auf thermische Eigenschaften kann die Thyristorstruktur
40 einen kleineren thermischen Widerstand und/oder eine größere Wärmekapazität als die Diodenstruktur3 aufweisen. Zum Beispiel kann ein aktiver Bereich der Thyristorstruktur40 wenigstens so groß wie ein aktiver Bereich der Diodenstruktur3 sein. Zum Beispiel kann die Thyristorstruktur40 dementsprechend zum Dissipieren eines großen Anteils der Leistungsverluste konfiguriert sein, die unter Stoßstrombedingungen in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung auftreten. Hinsichtlich des Ausdrucks „aktiver Bereich“ ist anzumerken, dass, falls z. B. die Diodenstruktur40 die Körperdiode eines MOSFET ist, der gesamte aktive Bereich des MOSFET zum Beispiel als der relevante aktive Bereich der Diodenstruktur3 betrachtet werden kann. Ein aktiver Bereich der Thyristorstruktur40 kann z. B. durch den Bereich des (der) Thyristoremittergebiets (Thyristoremittergebiete)106 definiert werden, falls die Thyristorstruktur40 monolithisch mit einem IGBT20 integriert ist, wie oben beschrieben ist. Alternativ dazu kann der aktive Bereich der Thyristorstruktur40 in diesem Fall als eine Projektion des (der) Thyristoremittergebiets (Thyristoremittergebiete)106 auf die Vorderseite10 -1 mit einem lateralen Spreizwinkel von z. B. 45° definiert werden. Dementsprechend kann ein laterales Aufspreizen von elektrischen und/oder thermischen Strömen berücksichtigt werden. - Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Leistungselektronikmodul bereitgestellt, wobei das Leistungselektronikmodul mehrere Leistungselektronikanordnungen
1 , wie oben beschrieben, umfasst. Bei einer Ausführungsform liegt die Summe der aktiven Bereiche der Diodenstrukturen3 der Leistungselektronikanordnungen1 innerhalb des Leistungselektronikmoduls in einem Bereich von 10 % bis 60 %, wie etwa z. B. in einem Bereich von 30 % bis 50 %, der Summe der aktiven Bereiche der Halbleiterschalterstrukturen2 der Leistungselektronikanordnungen innerhalb der Leistungselektronikmodule. - Zuvor wurden Ausführungsformen, die eine Leistungshalbleitervorrichtung, wie etwa eine Diode, einen MOSFET oder einen IGBT betreffen, und entsprechende Verarbeitungsverfahren erklärt. Diese Vorrichtungen basieren zum Beispiel auf Silicium (Si). Entsprechend kann ein(e) monokristalline(s) Halbleitergebiet oder -schicht, z. B. der Halbleiterkörper
10 und seine Gebiete/Zonen100 ,100-1 ,102 ,103 ,104 und106 , ein(e) monokristalline(s) Si-Gebiet oder Si-Schicht sein. Bei anderen Ausführungsformen kann polykristallines oder amorphes Silicium eingesetzt werden. - Es versteht sich jedoch, dass der Halbleiterkörper
10 und seine dotierten Gebiete/Zonen aus einem beliebigem Halbleitermaterial gefertigt sein können, das zum Herstellen einer Leistungsdiode geeignet ist. Beispiele für solche Materialien beinhalten unter anderem elementare Halbleitermaterialien, wie etwa Silicium (Si) oder Germanium (Ge), Gruppe-IV-Verbindungshalbleitermaterialien, wie etwa Siliciumcarbid (SiC) oder Silicium-Germanium (SiGe), binäre, ternäre oder quaternäre III-V-Halbleitermaterialien, wie etwa Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Indiumgalliumphosphid (InGaPa), Aluminiumgalliumnitrid (AIGaN), Aluminiumindiumnitrid (AlInN), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Aluminiumgalliumindiumnitrid (AIGalnN) oder Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP), und binäre oder ternäre II-VI-Halbleitermaterialien, wie etwa Cadmiumtellurid (CdTe) und Quecksilbercadmiumtellurid (HgCdTe), um nur einige zu nennen. Die zuvor erwähnten Halbleitermaterialien werden auch als „Homoüberganghalbleitermaterialien“ bezeichnet. Wenn zwei verschiedene Halbleitermaterialien kombiniert werden, wird ein Heteroüberganghalbleitermaterial gebildet. Beispiele für Heteroüberganghalbleitermaterialien beinhalten unter anderem Aluminiumgalliumnitrid(AIGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid(AIGalnN), Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid(AlGaInN), Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Galliumnitrid(GaN), Aluminiumgalliumnitrid(AIGaN)-Galliumnitrid(GaN), Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN), Silicium-Siliciumcarbid (SixC1-x) und Silicium-SiGe-Heteroüberganghalbleitermaterialien. Für Leistungshalbleitervorrichtungsanwendungen werden zurzeit hauptsächlich Si-, SiC-, GaAs- und GaN-Materialien verwendet. - Räumlich relative Ausdrücke wie etwa „unter“, „unterhalb“, „über“, „niedriger“, „über“, „oberer“ und dergleichen werden der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet, um die Positionierung eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu erklären. Es wird beabsichtigt, dass diese Ausdrücke zusätzlich zu denjenigen, die in den Figuren dargestellt sind, verschiedene Orientierungen der entsprechenden Vorrichtung einschließen. Ferner werden auch Ausdrücke wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen verwendet, um verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. zu beschreiben, und es wird ebenfalls nicht beabsichtigt, dass diese beschränkend sind. Über die gesamte Beschreibung hinweg verweisen gleiche Ausdrücke auf gleiche Elemente.
- Wie hier verwendet, sind die Ausdrücke „aufweisend“, „enthaltend“, „beinhaltend“, „umfassend“, „aufzeigend“ und dergleichen offene Ausdrücke, die das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale angeben, aber keine zusätzlichen Elemente oder Merkmale ausschließen.
- In Anbetracht der obigen Bandbreite an Variationen und Anwendungen versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorangehende Beschreibung beschränkt wird, noch durch die beigefügten Zeichnungen beschränkt wird. Stattdessen ist die vorliegende Erfindung lediglich durch die folgenden Ansprüche und deren rechtliche Äquivalente beschränkt.
Claims (29)
- Leistungselektronikanordnung (1), die zum Leiten eines Vorwärtsstroms (11) in einem Vorwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) und zum Leiten eines Rückwärtsstroms (12) in einem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) konfiguriert ist, wobei die Leistungselektronikanordnung (1) Folgendes umfasst: - eine Halbleiterschalterstruktur (2), die zum Annehmen eines vorwärts leitenden Zustands konfiguriert ist, wobei eine stationäre Stromführungsfähigkeit der Halbleiterschalterstruktur (2) in dem vorwärts leitenden Zustand durch einen Nennstrom (Inom) charakterisiert ist und wobei die Halbleiterschalterstruktur (2) in dem vorwärts leitenden Zustand zum Leiten von wenigstens einem Teil des Vorwärtsstroms (11) in dem Vorwärtsstrommodus der Leistungselektronikanordnung (1) konfiguriert ist; - eine Diodenstruktur (3), die elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur (2) antiparallel verbunden ist und zum Leiten von wenigstens einem Teil des Rückwärtsstroms (12) in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) konfiguriert ist; und - eine rückwärts leitende Struktur (4), die monolithisch mit der Halbleiterschalterstruktur (2) integriert ist; wobei in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) die rückwärts leitende Struktur (4) weniger als 10 % des Rückwärtsstroms (12) leitet, falls der Betrag des Rückwärtsstroms (12) gleich einem oder kleiner als ein erster kritischer Rückwärtsstromwert (IRC1) ist, wobei der erste kritische Rückwärtsstromwert (IRC1) wenigstens den Nennstrom (Inom) beträgt, und wobei die rückwärts leitende Struktur (4) wenigstens 20 % des Rückwärtsstroms (12) leitet, falls der Betrag des Rückwärtsstroms (12) gleich einem oder größer als ein zweiter kritischer Rückwärtsstromwert (IRC2) ist, wobei der zweite kritische Rückwärtsstromwert (IRC2) höchstens das 10-Fache des Nennstroms (Inom) beträgt.
- Leistungselektronikanordnung (1) nach
Anspruch 1 , wobei der erste kritische Rückwärtsstromwert (IRC1) wenigstens das Zweifache des Nennstroms (Inom) beträgt. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die rückwärts leitende Struktur (4) eine Thyristorstruktur (40) umfasst, die elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur (2) antiparallel verbunden ist.
- Leistungselektronikanordnung (1) nach
Anspruch 3 , wobei eine Vorwärtskippspannung (Vfwbr) der Thyristorstruktur (40) niedriger als eine Diodendurchlassspannung (Vd0) der Diodenstruktur (3) bei einem kritischen Diodenstromwert (Id0) ist, wobei der kritische Diodenstromwert (Id0) höchstens das Fünffache des Nennstroms (Inom) beträgt. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschalterstruktur (2) einen IGBT (20) umfasst.
- Leistungselektronikanordnung (1) nach
Anspruch 5 und einem derAnsprüche 3 und4 , wobei die Halbleiterschalterstruktur (2) und die Thyristorstruktur (40) monolithisch in einer Leistungshalbleitervorrichtung (5) integriert sind, wobei die Leistungshalbleitervorrichtung (5) Folgendes umfasst: - einen Halbleiterkörper (10), der eine Vorderseite (10-1), die mit einer ersten Lastanschlussstruktur (11) gekoppelt ist, und eine Rückseite (10-2), die mit einer zweiten Lastanschlussstruktur (12) gekoppelt ist, aufweist und zum Leiten von wenigstens einem Teil des Vorwärtsstroms (11) zwischen der ersten Lastanschlussstruktur (11) und der zweiten Lastanschlussstruktur (12) konfiguriert ist, und - wobei mehrere IGBT-Steuerzellen (14) auf der Vorderseite (10-2) in Kontakt mit der ersten Lastanschlussstruktur (11) angeordnet sind und wenigstens teilweise in dem Halbleiterkörper (10) enthalten sind; wobei der Halbleiterkörper (10) Folgendes umfasst: - ein Driftgebiet (100) eines ersten Leitfähigkeitstyps, das in Kontakt mit den IGBT-Steuerzellen (14) angeordnet ist; - ein Rückseitenemittergebiet (102) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der zu dem ersten Leitfähigkeitstyp komplementär ist, wobei das Rückseitenemittergebiet (102) auf der Rückseite (10-2) in Kontakt mit der zweiten Lastanschlussstruktur (12) angeordnet ist; und - wenigstens ein Thyristoremittergebiet (106) des ersten Leitfähigkeitstyps, das auf der Rückseite (10-2) in Kontakt mit der zweiten Lastanschlussstruktur (12) angeordnet ist und von dem Driftgebiet (100) durch ein Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps isoliert ist. - Leistungselektronikanordnung nach
Anspruch 6 , wobei eine laterale Ausdehnung (Lx) des Thyristoremittergebiets (106) ein Thyristorgebiet der Halbleitervorrichtung (5) definiert, und wobei eine oder mehrere der IGBT-Steuerzellen (14) innerhalb des Thyristorgebiets angeordnet sind. - Leistungselektronikanordnung (1) nach
Anspruch 6 oder7 , wobei eine laterale Ausdehnung (Lx) des Thyristoremittergebiets (106) gleich oder kleiner als das Zweifache einer vertikalen Ausdehnung (Lz) des Halbleiterkörpers (10) ist. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der
Ansprüche 6 bis8 , wobei der Halbleiterkörper (10) mehrere solche Thyristoremittergebiete (106) umfasst, die über eine laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers (10) verteilt sind. - Leistungselektronikanordnung (1), die zum Leiten eines Vorwärtsstroms (11) in einem Vorwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) und zum Leiten eines Rückwärtsstroms (12) in einem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) konfiguriert ist, wobei die Leistungselektronikanordnung (1) Folgendes umfasst: - eine Halbleiterschalterstruktur (2), die zum Annehmen eines vorwärts leitenden Zustands konfiguriert ist, wobei eine stationäre Stromführungsfähigkeit der Halbleiterschalterstruktur (2) in dem vorwärts leitenden Zustand durch einen Nennstrom (Inom) charakterisiert ist und wobei die Halbleiterschalterstruktur (2) in dem vorwärts leitenden Zustand zum Leiten von wenigstens einem Teil des Vorwärtsstroms (11) in dem Vorwärtsstrommodus der Leistungselektronikanordnung (1) konfiguriert ist; - eine Diodenstruktur (3), die elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur (2) antiparallel verbunden ist und zum Leiten von wenigstens einem Teil des Rückwärtsstroms (12) in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) konfiguriert ist; und - eine Thyristorstruktur (40), die elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur (2) antiparallel verbunden ist, wobei eine Vorwärtskippspannung (Vfwbr) der Thyristorstruktur (40) niedriger als eine Diodendurchlassspannung (Vd0) der Diodenstruktur (3) bei einem kritischen Diodenstromwert (Id0) ist, wobei der kritische Diodenstromwert (Id0) höchstens das Fünffache des Nennstroms (Inom) beträgt.
- Leistungselektronikanordnung nach
Anspruch 10 , wobei die Vorwärtskippspannung (Vfwbr) gleich oder kleiner als 10 V ist. - Leistungselektronikanordnung nach
Anspruch 10 oder11 , wobei die Vorwärtskippspannung (Vfwbr) wenigstens 3 V beträgt. - Leistungselektronikanordnung nach einem der
Ansprüche 10 bis12 , wobei in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) die Thyristorstruktur (40) weniger als 10 % des Rückwärtsstrom (12) leitet, falls der Betrag des Rückwärtsstroms (12) gleich einem oder kleiner als ein erster kritischer Rückwärtsstromwert (IRC1) ist, und wobei der erste kritische Rückwärtsstromwert (IRC1) wenigstens das Zweifache des Nennstroms (Inom) beträgt. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der
Ansprüche 10 bis13 , wobei in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) die Thyristorstruktur (40) wenigstens 20 % des Rückwärtsstrom (12) leitet, falls der Betrag des Rückwärtsstroms (12) gleich einem oder größer als ein zweiter kritischer Rückwärtsstromwert (IRC2) ist, und wobei der zweite kritische Rückwärtsstromwert (IRC2) höchstens das 10-Fache des Nennstroms (Inom) beträgt. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der
Ansprüche 10 bis14 , wobei die Diodenstruktur (3) monolithisch mit der Halbleiterschalterstruktur (2) integriert ist. - Leistungselektronikanordnung (1) nach
Anspruch 15 , wobei die Halbleiterschalterstruktur (2) einen MOSFET umfasst und wobei eine Körperdiode des MOSFET wenigstens einen Teil der Diodenstruktur (3) bildet. - Leistungselektronikanordnung nach
Anspruch 16 , wobei der MOSFET ein Siliciumcarbid-MOSFET ist. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der
Ansprüche 3 bis17 , wobei eine Haltespannung (Vh) der Thyristorstruktur (2) höher als eine Diodenvorwärtsspannung (Vdnom) der Diodenstruktur (3) bei dem Nennstrom (Inom) ist. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der
Ansprüche 3 bis18 , wobei die Diodenstruktur (3) in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung (1) zum Leiten zwischen dem Nennstrom (Inom) und viermal dem Nennstrom (Inom) bei einer Spannung gleich einer Haltespannung (Vh) der Thyristorstruktur (40) konfiguriert ist. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der
Ansprüche 3 bis19 , wobei eine Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur (40) höher als eine Vorwärtskippspannung (Vfwbr) der Thyristorstruktur (40) ist. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der
Ansprüche 3 bis20 , wobei eine Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur (40) wenigstens 90 % einer Durchbruchspannung der Diodenstruktur (3) beträgt. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diodenstruktur (3) eine Siliciumcarbiddiode ist oder umfasst.
- Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der
Ansprüche 3 bis22 , wobei die Thyristorstruktur (40) einen kleineren thermischen Widerstand als die Diodenstruktur (3) aufweist. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der
Ansprüche 3 bis23 , wobei die Thyristorstruktur (40) eine größere Wärmekapazität als die Diodenstruktur (3) aufweist. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der
Ansprüche 3 bis24 , wobei ein aktiver Bereich der Thyristorstruktur (40) wenigstens so groß wie ein aktiver Bereich der Diodenstruktur (3) ist. - Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die rückwärts leitende Struktur (4) eine Zener-Diode umfasst.
- Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschalterstruktur (2) einen Halbleiterkörper (10) einschließlich eines pn-Übergangs (103) umfasst, der zum Sperren einer Vorwärtssperrspannung der Halbleiterschalterstruktur (2) in einem vorwärtssperrenden Zustand der Halbleiterschalterstruktur (2) konfiguriert ist, wobei der Halbleiterkörper (10) durch ein Gehäuse umhüllt ist; wobei die Halbleiterschalterstruktur (2) einen thermischen Widerstand Rthjc zwischen Sperrschicht und Gehäuse aufweist, der eine stationäre Wärmetransportfähigkeit zwischen dem pn-Übergang (103) und dem Gehäuse charakterisiert; wobei die Halbleiterschalterstruktur (2) dazu konfiguriert ist, kontinuierlich in dem vorwärtsleitenden Zustand bei einer maximalen Übergangstemperatur Tjmax des pn-Übergangs (103) und einer maximalen Betriebsgehäusetemperatur Tc des Gehäuses betrieben zu werden; wobei der Betrieb der Halbleiterschalterstruktur (2) in dem vorwärtsleitenden Zustand bei der maximalen Übergangstemperatur Tjmax durch eine Schalterstruktur-Ein-Zustand-Spannung Von charakterisiert ist; und wobei der Nennstrom Inom die folgende Gleichung erfüllt:
- Leistungselektronikanordnung (1) nach
Anspruch 27 , wobei eine Differenz zwischen der maximalen Übergangstemperatur Tjmax und der maximalen Betriebsgehäusetemperatur Tc wenigstens 50 K beträgt. - Leistungselektronikmodul, das mehrere Leistungselektronikanordnungen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei die Summe aktiver Bereiche der Diodenstrukuren (3) in dem Bereich von 10 % bis 60 % der Summe aktiver Bereiche der Halbleiterschalterstrukturen (2) beträgt.
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