DE102018114375A1 - Leistungselektronikanordnung - Google Patents

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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 in 2 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ;
    • 3B veranschaulicht schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts der Leistungshalbleitervorrichtung in 2 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 3C veranschaulicht schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts der Leistungshalbleitervorrichtung in 2 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 aus 6A-C in einem Diagramm;
    • 7A veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Hysterese in dem Diodenstruktur-Strom-Spannung-Diagramm aus 6A;
    • 7B veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Hysterese in dem Thyristorstruktur-Strom-Spannung-Diagramm aus 6B;
    • 7C veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Hysterese in dem Strom-Spannung-Diagramm aus 6C;
    • 7D zeigt die Strom-Spannungs-Kurven aus 7A-C in einem Diagramm; und
    • 8 veranschaulicht schematisch und beispielhaft eine Hysterese eines Anteils eines Thyristorstroms in einem Rückwärtsstrom entsprechend den Diagrammen aus 7A-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 Leistungselektronikanordnung 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft. Die Leistungselektronikanordnung 1 ist dazu konfiguriert, in einem Vorwärtsmodus, in dem sie einen Vorwärtsstrom 11 leitet, und in einem Rückwärtsmodus, in dem sie einen Rückwärtsstrom 12 in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Vorwärtsstrom 11 leitet, betrieben zu werden. Die Leistungselektronikanordnung 1 umfasst eine Halbleiterschalterstruktur 2, eine Diodenstruktur 3 und eine rückwärts leitende Struktur 4, 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 Vorwärtsstroms 11, der durch die Leistungselektronikanordnung 1 fließt, leitet. Zum Beispiel ist die Halbleiterschalterstruktur 2 bei einer Ausführungsform ein IGBT, wie etwa ein siliciumbasierter IGBT, oder umfasst diesen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Halbleiterschalterstruktur 2 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 Halbleiterschalterstruktur 2 assoziiert ist. Zum Beispiel kann der Nennstrom Inom eine stationäre Stromführungsfähigkeit der Halbleiterschalterstruktur 2 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 Halbleiterschalterstruktur 2 konfiguriert sein kann. Der Halbleiterkörper kann durch ein Gehäuse umhüllt sein. Ferner kann die Halbleiterschalterstruktur 2 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 Halbleiterschalterstruktur 2 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 Halbleiterschalterstruktur 2 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 Halbleiterschalterstruktur 2 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 Halbleiterschalterstruktur 2 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 Halbleiterschalterstruktur 2 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: V o n ⋅ I n o m = T j m a x − T c R t h j c
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    Mit anderen Worten kann der Nennstrom Inom zum Beispiel als ein maximal zulässiger Strom definiert werden, der eine stationäre Leistungsdissipation ermöglicht, wenn die Halbleiterschalterstruktur bei der maximalen Übergangstemperatur betrieben wird. Jedoch ist anzumerken, dass Datenblattnennwerte der obigen charakteristischen Quantitäten (Von, Inom, Tjmax, Tc, Rthjc) üblicherweise Sicherheitsspannen beinhalten. Dementsprechend kann ein Nennstrom, wie in einem Datenblatt bemessen, niedriger als ein Nennstrom, wie aus der obigen Gleichung berechnet, sein, insbesondere falls tatsächliche gemessene Quantitäten verwendet werden, z. B. für die Schalterstruktur-Ein-Zustand-Spannung Von und/oder für den thermischen Widerstand Rthjc zwischen Halbleiterübergang und Gehäuse. Andererseits kann die Gehäusetemperatur Tc der obigen Gleichung niedriger als die maximale Betriebsgehäusetemperatur sein.
  • Die Diodenstruktur 3 der Leistungselektronikanordnung ist elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur 2 antiparallel verbunden. Das heißt, dass eine Vorwärtsrichtung der Diodenstruktur 3 (wie z. B. durch einen in der Diodenstruktur 2 enthaltenen pn-Übergang definiert) entgegensetzt zu einer Vorwärtsrichtung der Halbleiterschalterstruktur 2 gerichtet ist, d. h. entgegengesetzt zu der Richtung, in der die Halbleiterschalterstruktur 2 einen Strom in ihrem vorwärtsleitenden Zustand leitet. Die Diodenstruktur 3 kann zum Leiten von wenigstens einem Teil des Rückwärtsstroms in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung 1 konfiguriert sein. Zum Beispiel kann die Diodenstruktur 3 während eines Betriebs der Leistungselektronikanordnung 1 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 Diodenstruktur 3 separat von der Halbleiterschalterstruktur 2, z. B. auf einem separaten Chip und/oder als separate Vorrichtung, bereitgestellt werden. Bei einer anderen Ausführungsform, wie ebenfalls unten ausführlicher beschrieben, kann die Diodenstruktur 3 monolithisch mit der Halbleiterschalterstruktur 2 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 Diodenstruktur 3 bilden.
  • Die rückwärts leitende Struktur 4 der Leistungselektronikanordnung 1 kann zum Leiten eines Teils des Rückwärtsstroms 2 in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Leistungselektronikanordnung 1, z. B. in Abhängigkeit von dem Betrag des Rückwärtsstroms 12, konfiguriert sein. Zum Beispiel leitet die rückwärts leitende Struktur 4 unter normalen Betriebsbedingungen möglicherweise keinen Rückwärtsstrom oder nur einen relativ kleinen Teil des Rückwärtsstroms 12 in dem Rückwärtsmodus. Unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wie etwa z. B. einer Stoßstrombedingung in dem Rückwärtsmodus, kann die rückwärts leitende Struktur 4 einen erheblich größeren Teil des Rückwärtsstroms 12 leiten.
  • Zum Beispiel leitet bei einer Ausführungsform 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 zweimal den Nennstrom Inom, wie etwa z. B. wenigstens dreimal den Nennstrom Inom, beträgt. Ferner kann die rückwärts leitende Struktur 4 wenigstens 20 % des Rückwärtsstroms oder sogar wenigstens 40 % des Rückwärtsstroms 12 leiten, 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, 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 Struktur 4, wie unten ausführlicher erklärt wird, eine Thyristorstruktur 40, die monolithisch mit der Halbleiterschalterstruktur 2 integriert sein kann oder nicht. Die Thyristorstruktur 40 kann elektrisch mit der Halbleiterschalterstruktur 2 antiparallel verbunden sein. Das heißt, dass eine Vorwärtsrichtung der Thyristorstruktur 40 (wie z. B. durch eine in der Thyristorstruktur 2 enthaltenen npnp-Abfolge von Halbleitergebieten definiert) entgegensetzt zu einer Vorwärtsrichtung der Halbleiterschalterstruktur 2 gerichtet sein kann, d. h. entgegengesetzt zu der Richtung, in der die Halbleiterschalterstruktur 2 einen Strom in ihrem vorwärtsleitenden Zustand leitet. Die Vorwärtsrichtung der Thyristorstruktur 40 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 Thyristorstruktur 40 assoziiert ist. Die rückwärts leitende Struktur 4 kann monolithisch mit der Halbleiterschalterstruktur 2 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 IGBT 20 ist und die rückwärts leitende Struktur 4 in der Form einer Thyristorstruktur 40 bereitgestellt ist. Der IGBT 20 und die Thyristorstruktur 40 sind monolithisch in einer Leistungshalbleitervorrichtung 5 integriert. Der linke Zweig des Schaltbildes in 2 veranschaulicht einen äquivalenten Schaltkreis der Leistungshalbleitervorrichtung 5. Ein Fachmann ist mit den in 2 verwendeten Symbolen für den IGBT 20, die Thyristorstruktur 40 und die Diode 3 vertraut. Zum Beispiel kann in 2 der Widerstand 43 einer ohmschen Verbindung zwischen einer p-Basis der Thyristorstruktur 40 und einem p-Emitter des IGBT 20 entsprechen (vergleiche das Rückseitenemittergebiet 102 in 3A).
  • 3A-3C veranschaulichen jeweils Abschnitte eines vertikalen Querschnitts der Leistungshalbleitervorrichtung 5 aus 2 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft. Die Leistungshalbleitervorrichtung 5 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 zweiten Lastanschlussstruktur 12 und der ersten Lastanschlussstruktur 11 konfiguriert ist. Zum Beispiel kann die erste Lastanschlussstruktur 11 eine Vorderseitenmetallisierung umfassen und kann die zweite Lastanschlussstruktur 12 eine Rückseitenmetallisierung umfassen. Der Halbleiterkörper 10 umfasst ein Driftgebiet 100 eines ersten Leitfähigkeitstyps (z. B. n-Typs). Das Driftgebiet 100 kann ein Feldstoppgebiet 100-1 umfassen, wobei das Feldstoppgebiet 100-1 Dotierungsstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Konzentration als Teile des Driftgebiets 100 außerhalb des Feldstoppgebiets 100-1 aufweist. Ferner sind mehrere IGBT-Steuerzellen 14 auf der Vorderseite 10-2 in Kontakt mit der ersten Lastanschlussstruktur 11 angeordnet, wobei die IGBT-Steuerzellen 14 wenigstens teilweise in dem Halbleiterkörper 10 enthalten sein können. Jede IGBT-Steuerzelle 14 kann zum Beispiel einen Gate-Graben 15, der eine Gate-Elektrode 16 und eine Isolationsstruktur 150 umfasst, wenigstens einen Source-Gebiet 104 des ersten Leitfähigkeitstyps, ein Körpergebiet 103 des zweiten Leitfähigkeitstyps, der zu dem ersten Leitfähigkeitstyp komplementär ist, und einen Teil des Driftgebiets 100 umfassen. Ferner ist ein pn-Übergang 109 bei einem Übergang zwischen dem Körpergebiet 103 und dem Drift-Gebiet 100 gebildet. Konfigurationen solcher IGBT-Zellen 14 sind einem Fachmann wohlbekannt und werden daher nicht ausführlich erklärt.
  • Der Halbleiterkörper 10 umfasst ferner ein Rückseitenemittergebiet 102 des zweiten Leitfähigkeitstyps (z. B. p-Typs), wobei das Rückseitenemittergebiet 102 auf der Rückseite 10-2 in Kontakt mit der zweiten Lastanschlussstruktur 12 angeordnet ist. Außerdem umfasst der Halbleiterkörper 10 ein Thyristoremittergebiet 106 des ersten Leitfähigkeitstyps (z. B. n+-Typs), das auf der Rückseite 10-2 in Kontakt mit der zweiten Lastanschlussstruktur 12 angeordnet ist. Das Thyristoremittergebiet 106 ist von dem Driftgebiet 100 durch ein Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps (z. B. p-Typs) isoliert. Zum Beispiel isoliert bei dem Ausführungsbeispiel aus 3A ein Teil des Rückseitenemittergebiets 102 das Thyristoremittergebiet 106 von dem Driftgebiet 100. Bei anderen Ausführungsformen, wie in 3B-C veranschaulicht, können zusätzliche Halbleitergebiete 101-1, 102-2 des zweiten Leitfähigkeitstyps zum Isolieren des Thyristoremittergebiets 106 von dem Driftgebiet 100 bereitgestellt sein.
  • Der npnp-Stapel (oder alternativ pnpn-Stapel) des Thyristoremittergebiets 106, des Halbleitergebiets 102, 102-1, 102-2, das das Thyristoremittergebiet 106 von dem Driftgebiet 100 isoliert, des Driftgebiets 100 und des Körpergebiets 103 kann dementsprechend einen funktionalen Teil der Thyristorstruktur 40 bilden, die monolithisch mit dem IGBT 20 integriert ist, der damit antiparallel verbunden ist. Zum Beispiel kann die laterale Ausdehnung Lx des Thyristoremittergebiets 106 ein Thyristorgebiet 401 der Halbleitervorrichtung 5 definieren. Entsprechend können Gebiete, in denen das Thyristoremittergebiet 106 fehlt, ein oder mehrere IGBT-Gebiete 201 definieren. Es ist jedoch anzumerken, dass IGBT-Steuerzellen 14 möglicherweise nicht nur innerhalb der IGBT-Gebiete 201 angeordnet sind, sondern auch in dem Thyristorgebiet 401. Mit anderen Worten kann bei einer Ausführungsform das Thyristoremittergebiet 106 eine laterale Überlappung mit den mehreren IGBT-Steuerzellen 14 aufweisen. Es ist anzumerken, dass sowohl eine Vorwärtskippspannung Vfwbr, eine Haltespannung Vh als auch ein Haltestrom Ih der Thyristorstruktur 40 angepasst werden können, indem eine Dotierungsstoffkonzentration innerhalb des Halbleitergebiets des zweiten Leitfähigkeitstyps gewählt wird, das das Thyristoremittergebiet 106 von dem Driftgebiet 100 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 Thyristorstruktur 40 auch angepasst werden können, indem eine angemessene laterale Ausdehnung Lx des Thyristoremittergebiets 106 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 Halbleiterkörper 10 mehrere solche Thyristoremittergebiete 106, die über eine laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers 10 verteilt sind, wodurch mehrere solche Thyristorgebiete 401 definiert werden (in dem in 3A-C dargestellten Abschnitt des vertikalen Querschnitts nicht veranschaulicht).
  • 4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung 1 aus 1 schematisch und beispielhaft. Bei diesem Beispiel ist die Halbleiterschalterstruktur 2 in der Form eines IGBT 20, wie etwa z. B. eines Silicium-IGBT, bereitgestellt. Eine Diode, wie etwa eine Siliciumcarbiddiode, ist als Diodenstruktur 3 der Leistungselektronikanordnung 1 bereitgestellt. Ferner umfasst die Leistungselektronikanordnung 1 einen Thyristor 40. Zum Beispiel können der IGBT 20, die Diode 3 und der Thyristor 40 als separate Vorrichtung, wie etwa auf separaten Chips, bereitgestellt sein.
  • 5 veranschaulicht noch eine andere Ausführungsform einer Leistungshalbleiteranordnung 1 gemäß 1 schematisch und beispielhaft. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterschalterstruktur 2 und die Diodenstruktur 3 in einem MOSFET 23 kombiniert. Zum Beispiel ist der MOSFET 23 ein Siliciumcarbid-MOSFET. Zum Beispiel ist die Diodenstruktur 3 durch eine Körperdiode des MOSFET 23 bereitgestellt. Bei einer solchen Anordnung kann in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung 1 wenigstens ein Teil des Rückwärtsstroms 12 durch die Körperdiode 3 des MOSFET 23 oder durch den MOSFET selbst mit dem Kanal eingeschaltet geführt werden. Ferner ist ein Thyristor 40 bereitgestellt, der separat von dem MOSFET 23, wie etwa auf einem separaten Chip, angeordnet sein kann.
  • Im Folgenden wird der Betrieb in dem Rückwärtsmodus einer Leistungselektronikanordnung 1, wobei die Leistungselektronikanordnung 1 eine Thyristorstruktur 40 umfasst, wie oben beschrieben ist, unter Bezugnahme auf 6A-8 beschrieben.
  • 6A veranschaulicht eine Strom-Spannungs-Kurve C1 der Diodenstruktur 3 in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung 1. Die y-Achse des Diagramms in 6A zeigt einen Diodenstrom Id, wobei der Maßstab der y-Achse auf den Betrag des Nennstroms Inom der Halbleiterschalterstruktur 2 normiert ist. Die x-Achse zeigt die entsprechende Diodenspannung Vd der Diodenstruktur 3, d. h. die Vorwärtsspannung Vd der Diodenstruktur 3 in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung 1. Der Maßstab der x-Achse ist auf eine Diodenvorwärtsspannung Vdnom der Diodenstruktur 3 bei einem Diodenstrom Id, der den Nennstrom Inom beträgt, normiert. Ein Fachmann ist allgemein mit Diodenkennlinien, wie in 6 gezeigt, vertraut.
  • 6B veranschaulicht eine Strom-Spannungs-Kurve C2 der Thyristorstruktur 40 in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung 1. Wie in 6A zeigt die y-Achse des Diagramms in 6B einen Thyristorstrom Ithyr in der Rückwärtsrichtung der Leistungselektronikanordnung 1 (d. h. in einer Vorwärtsrichtung der Thyristorstruktur 40). Der Maßstab der y-Achse ist auf den Betrag des Nennstroms Inom der Halbleiterschalterstruktur 2 normiert. Die x-Achse zeigt die entsprechende Spannung Vthyr der Thyristorstruktur 40 im Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung. Zum einfachen Vergleich ist der Maßstab der x-Achse der gleiche wie in 6A, d. h. auf die Diodenvorwärtsspannung Vdnom normiert. Die Strom-Spannung-Kennlinie aus 6B zeigt ein charakteristisches Zurückspringen der Thyristorspannung Vthyr bei einer Vorwärtskippspannung Vfwbr der Thyristorstruktur 40 auf. Zum Beispiel wird die Thyristorstruktur 40 bei der Vorwärtskippspannung Vfwbr gezündet.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Vorwärtskippspannung Vfwbr der Thyristorstruktur 40 niedriger als eine Diodendurchlassspannung Vd0 der Diodenstruktur 3 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 in 6B gezeigt, ist ferner durch eine Haltespannung Vh der Thyristorstruktur 40 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 Thyristorstruktur 40 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 Thyristorstruktur 2 höher als eine Diodenvorwärtsspannung Vdnom der Diodenstruktur 3 bei dem Nennstrom Inom.
  • Ferner kann bei einer Ausführungsform, wie beispielhaft in 6A veranschaulicht, die Diodenstruktur 3 in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung 1 zum Leiten zwischen dem Nennstrom Inom und dem Vierfachen des Nennstroms Inom bei einer Spannung gleich einer Haltespannung Vh der Thyristorstruktur 40 konfiguriert sein.
  • Hinsichtlich weiteren Eigenschaften der Thyristorstruktur 40 kann bei einer Ausführungsform eine Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur 40 höher als die Vorwärtskippspannung Vfwbr sein. Falls die Thyristorstruktur 40 monolithisch mit einem IGBT 20 integriert ist, wie bei der Halbleitervorrichtung 5, die oben mit Bezug auf 2-3C beschrieben ist, muss die Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur 40 mit einem geschlossenen Gate der IGBT-Zellen 14 definiert sein, die auch in einem Transistorgebiet 401 der Halbleitervorrichtung 5 vorhanden sein können.
  • Ferner kann bei einer Ausführungsform die Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur 40 wenigstens eine Nenndurchbruchspannung der Diodenstruktur 3 betragen. Zum Beispiel kann die Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur 40 wenigstens 90 % einer tatsächlichen Durchbruchspannung der Diodenstruktur 3 betragen.
  • 6C veranschaulicht eine Strom-Spannungs-Kurve C12, die der Summe der in 6A-B dargestellten Strom-Spannungs-Kurven C1, C2 entspricht. Unter der Annahme, dass die Halbleiterschalterstruktur 2 selbst keinen signifikanten Teil des Rückwärtsstroms führt, entspricht die Summe C12 der Kurven C1, C2 im Wesentlichen dem Rückwärtsstrom 12. Daher ist in dem Diagramm aus 6C die y-Achse mit 12 beschriftet. Die x-Achse zeigt die gesamte Rückwärtsspannung V2 der Leistungselektronikanordnung 1, wobei aufgrund der Parallelverbindung der Diodenstruktur 2 und der Thyristorstruktur 14 die Rückwärtsspannung V2 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 in 6A-B. 6D zeigt die Strom-Spannungs-Kurven C1, C2, C12 aus 6A-C in einem Diagramm.
  • 7A-C veranschaulichen jeweils eine Hysterese in dem entsprechenden Strom-Spannung-Diagramm aus 6A-C schematisch und beispielhaft. 7D zeigt die Strom-Spannungs-Kurven C1, C2, C12 aus 7A-C in einem Diagramm. Im Folgenden wird die Hysterese hauptsächlich unter Bezugnahme auf die Kurve C12 in 7C beschrieben, die die Summe des Diodenstroms Id und des Thyristorstroms Ithyr (der im Wesentlichen dem Rückwärtsstrom 12 entsprechen kann) darstellt. Zum Beispiel ist der Rückwärtsstrom bei einem anfänglichen Punkt p0 auf der Kurve C12 null. Dann wird der Rückwärtsstrom 12 zwischen den Punkten p0 und p1 rampenartig erhöht (z. B. aufgrund eines Stoßstromereignisses), wobei der Rückwärtsstrom 12 im Wesentlichen kontinuierlich der Diodenkennlinie C1 (vergleiche 7A) folgt. Der Grund ist, dass sich die Thyristorstruktur 40 in dieser Phase in ihrem Aus-Zustand befindet und daher im Wesentlichen nicht zu der Leitung des Rückwärtsstroms 12 beiträgt. Bei dem Punkt p1 erreicht die Thyristorspannung Vthyr die Vorwärtskippspannung Vfwbr (vergleiche C2 in 7B) und wird die Thyristorstruktur 40 plötzlich eingeschaltet. Infolgedessen findet ein Sprung zu dem Punkt p2 in der Kurve C12 statt, wobei die Thyristorstruktur plötzlich einen großen Teil des Rückwärtsstroms 12 übernimmt, wodurch die Rückwärtsspannung V2 verringert wird. Diese Änderung findet auf einer sehr kurzen Zeitskala statt und ist als eine gestrichpunktete Linie in 7C angegeben. Von dem Punkt p2 kann der Strom kontinuierlich entlang der Kurve C12 zunehmen, wie durch den Pfeil in 7C angegeben ist. Ab einem gewissen Punkt wird der Strom wieder entlang der Kurve C12 abnehmen. Wenn der Thyristorstrom auf unterhalb des Haltestroms Ih der Thyristorstruktur 40 abfällt, was bei dem Punkt p3 in der Kurve C12 stattfindet, schaltet sich die Thyristorstruktur 40 wieder aus und nimmt die Rückwärtsspannung V2 plötzlich von dem Punkt p3 zu dem Punkt p4 zu. Dann kann der Rückwärtsstrom 12 weiter auf dem unteren Zweig der Kurve C12 kontinuierlich abnehmen (oder kann auf dem unteren Zweig der Kurve C12 wieder zunehmen, bis er den Punkt p1 erreicht).
  • Die Hysterese der Kurve C12 veranschaulicht, dass in dem Rückwärtsmodus der Leistungselektronikanordnung 1 die Thyristorstruktur 40 höchstens einen sehr kleinen Anteil des Rückwärtsstroms 12 leitet, falls der Rückwärtsstrom 12 relativ klein ist. Jedoch kann bei sehr großen Rückwärtsströmen 12, wie etwa einem Rückwärtsstrom, der z. B. das Acht- oder Zehnfache des Nennstroms Inom der Halbleiterschalterstruktur 2 beträgt, die Thyristorstruktur 40 einen beträchtlichen Anteil des Rückwärtsstroms 12 unterstützen, wodurch die Diodenstruktur 3 entlastet wird.
  • 8 veranschaulicht eine Hysterese eines Anteils eines Thyristorstroms Ithyr in dem Rückwärtsstrom 12, wobei die Hysterese, die die Punkte p1-p4 beinhaltet, der in den Diagrammen aus 7A-7C veranschaulichten entspricht Die Kurve C3 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 Rückwärtsstroms 12 gleich einem oder kleiner als ein erster kritischer Rückwärtsstromwert IRC1 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 Rückwärtsstromwert IRC1 kleiner als der Haltestrom Ih. Wie in 8 veranschaulicht, kann der erste kritische Rückwärtsstromwert IRC1 wenigstens das Zweifache, wie etwa wenigstens das Dreifache, des Nennstroms Inom betragen. Dementsprechend kann die Thyristorstruktur 40 im Wesentlichen nicht zu der Leitung des Rückwärtsstroms 12 unter normalen Rückwärtsleitungsbedingungen beitragen, wenn der Betrag des Rückwärtsstroms 12 von der Größenordnung des Nennstroms Inom ist.
  • Andererseits kann die Thyristorstruktur 40 einen beträchtlichen Anteil des Rückwärtsstroms 12, wie etwa z. B. wenigstens 20 %, wie etwa wenigstens 30 % oder sogar wenigstens 40 %, des Rückwärtsstroms 12 leiten, falls der Betrag des Rückwärtsstroms 12 gleich oder größer als ein zweiter kritischer Rückwärtsstromwert IRC2 ist. Wie beispielhaft veranschaulicht, kann sich der zweite kritische Rückwärtsstromwert IRC2 rechts von den Punkten p1 und p2 in 8 befinden. Bei einer Ausführungsform beträgt der zweite kritische Rückwärtsstromwert IRC2 höchstens das 10-Fache, wie etwa z. B. höchstens das 5-Fache, des Nennstroms Inom. Zum Beispiel kann die Thyristorstruktur 40 zum Leiten eines beträchtlichen Teils des Rückwärtsstroms 12 nur unter typischen Stoßstrombedingungen konfiguriert sein. Zum Beispiel kann die Diodenstruktur 3 dementsprechend unter Stoßstrombedingungen entlastet werden. Zum Beispiel kann ein Spannungsabfall an der Diodenstruktur 3, der auftreten würde, falls die Diodenstruktur 3 (allein genommen) den zweiten kritischen Rückwärtsstrom 12 unterstützen müsste, größer als die Vorwärtskippspannung Vfwbr der Thyristorstruktur 40 sein.
  • Mit Bezug auf thermische Eigenschaften kann die Thyristorstruktur 40 einen kleineren thermischen Widerstand und/oder eine größere Wärmekapazität als die Diodenstruktur 3 aufweisen. Zum Beispiel kann ein aktiver Bereich der Thyristorstruktur 40 wenigstens so groß wie ein aktiver Bereich der Diodenstruktur 3 sein. Zum Beispiel kann die Thyristorstruktur 40 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 Diodenstruktur 40 die Körperdiode eines MOSFET ist, der gesamte aktive Bereich des MOSFET zum Beispiel als der relevante aktive Bereich der Diodenstruktur 3 betrachtet werden kann. Ein aktiver Bereich der Thyristorstruktur 40 kann z. B. durch den Bereich des (der) Thyristoremittergebiets (Thyristoremittergebiete) 106 definiert werden, falls die Thyristorstruktur 40 monolithisch mit einem IGBT 20 integriert ist, wie oben beschrieben ist. Alternativ dazu kann der aktive Bereich der Thyristorstruktur 40 in diesem Fall als eine Projektion des (der) Thyristoremittergebiets (Thyristoremittergebiete) 106 auf die Vorderseite 10-1 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 Diodenstrukturen 3 der Leistungselektronikanordnungen 1 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 Halbleiterschalterstrukturen 2 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/Zonen 100, 100-1, 102, 103, 104 und 106, 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)

  1. 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.
  2. Leistungselektronikanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei der erste kritische Rückwärtsstromwert (IRC1) wenigstens das Zweifache des Nennstroms (Inom) beträgt.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschalterstruktur (2) einen IGBT (20) umfasst.
  6. Leistungselektronikanordnung (1) nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 3 und 4, 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.
  7. 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.
  8. Leistungselektronikanordnung (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine laterale Ausdehnung (Lx) des Thyristoremittergebiets (106) gleich oder kleiner als das Zweifache einer vertikalen Ausdehnung (Lz) des Halbleiterkörpers (10) ist.
  9. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Halbleiterkörper (10) mehrere solche Thyristoremittergebiete (106) umfasst, die über eine laterale Ausdehnung des Halbleiterkörpers (10) verteilt sind.
  10. 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.
  11. Leistungselektronikanordnung nach Anspruch 10, wobei die Vorwärtskippspannung (Vfwbr) gleich oder kleiner als 10 V ist.
  12. Leistungselektronikanordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Vorwärtskippspannung (Vfwbr) wenigstens 3 V beträgt.
  13. Leistungselektronikanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, 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.
  14. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, 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.
  15. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Diodenstruktur (3) monolithisch mit der Halbleiterschalterstruktur (2) integriert ist.
  16. 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.
  17. Leistungselektronikanordnung nach Anspruch 16, wobei der MOSFET ein Siliciumcarbid-MOSFET ist.
  18. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 17, wobei eine Haltespannung (Vh) der Thyristorstruktur (2) höher als eine Diodenvorwärtsspannung (Vdnom) der Diodenstruktur (3) bei dem Nennstrom (Inom) ist.
  19. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 18, 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.
  20. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 19, wobei eine Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur (40) höher als eine Vorwärtskippspannung (Vfwbr) der Thyristorstruktur (40) ist.
  21. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 20, wobei eine Rückwärtssperrspannung der Thyristorstruktur (40) wenigstens 90 % einer Durchbruchspannung der Diodenstruktur (3) beträgt.
  22. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diodenstruktur (3) eine Siliciumcarbiddiode ist oder umfasst.
  23. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 22, wobei die Thyristorstruktur (40) einen kleineren thermischen Widerstand als die Diodenstruktur (3) aufweist.
  24. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 23, wobei die Thyristorstruktur (40) eine größere Wärmekapazität als die Diodenstruktur (3) aufweist.
  25. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 24, wobei ein aktiver Bereich der Thyristorstruktur (40) wenigstens so groß wie ein aktiver Bereich der Diodenstruktur (3) ist.
  26. Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die rückwärts leitende Struktur (4) eine Zener-Diode umfasst.
  27. 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: V o n ⋅ I n o m = T j m a x − T c R t h j c
    Figure DE102018114375A1_0002
  28. Leistungselektronikanordnung (1) nach Anspruch 27, wobei eine Differenz zwischen der maximalen Übergangstemperatur Tjmax und der maximalen Betriebsgehäusetemperatur Tc wenigstens 50 K beträgt.
  29. 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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