DE10208965B4 - Power semiconductor component for reverse voltages above 2000V - Google Patents

Power semiconductor component for reverse voltages above 2000V Download PDF

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DE10208965B4 DE2002108965 DE10208965A DE10208965B4 DE 10208965 B4 DE10208965 B4 DE 10208965B4 DE 2002108965 DE2002108965 DE 2002108965 DE 10208965 A DE10208965 A DE 10208965A DE 10208965 B4 DE10208965 B4 DE 10208965B4
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Abstract

Leistungshalbleiterbauelement auf Siliziumbasis für Sperrspannungen über 2000V, das zur Aufnahme des elektrischen Felds über eine niedrig dotierte Mittelzone der Weite WB verfügt, wobei für Wb die Beziehung Wgrenz ≤ Wb ≤ 1,2·Wgrenz gilt, wobei

Figure 00000002
ist und Vpk die maximal zu erwartende Spannungsspitze während einer Zeitspanne von 200 ns nach dem Schaltvorgang des Bauelements vom leitenden in den sperrenden Zustand ist, wobei während dieses Zeitraumes noch Elektronen durch dynamischen Avalanche generiert werden.Silicon-based power semiconductor component for blocking voltages above 2000 V, which has a low-doped middle zone of width W B for receiving the electric field, W b having the relationship W limit ≦ W b ≦ 1.2 × W limit , where
Figure 00000002
and V pk is the maximum expected voltage spike during a period of 200 ns after the device is switching from the conducting to the blocking state, during which time electrons are still being generated by dynamic avalanche.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleiterbauelement auf Siliziumbasis für Sperrspannungen über 2000V wobei die Erfindung im Folgenden anhand einer Leistungsdiode beschrieben wird. Leistungsdioden, wie sie beispielsweise als Freilaufdioden in Stromrichtermodulen Verwendung finden, sind hinlänglich aus der Literatur bekannt. Sie sind aufgebaut aus einem Halbleiterkörper, der eine Folge von schichtförmigen Zonen aufweist, von welcher die mittlere niedrig dotierte Schicht (Basis) einen ersten Leitungstyp besitzt, an der sich an der einen Seite eine hochdotierte, ersten Außenzone vom ersten Leitungstyp anschließt und an deren anderer Seite sich eine zweiten Außenzone vom zweiten Leitungstyp anschießt, die mit der Mittelschicht einen pn-Übergang einschließt. Bei Freilaufdioden werden ferner Rekombinationszentren eingebracht, um schnelles Schalten zu ermöglichen.The The invention describes a silicon-based power semiconductor device for reverse voltages above 2000V the invention is described below with reference to a power diode becomes. Power diodes, as for example as freewheeling diodes are used in power converter modules, are sufficiently from the Literature known. They are composed of a semiconductor body, the a sequence of layered Zones, of which the middle low-doped layer (Base) has a first conductivity type, at the one at the Page a highly doped, first outer zone of the first conductivity type followed and on the other side there is a second outer zone of the second conductivity type anschießt, which includes a pn junction with the middle layer. at Freewheeling diodes are also introduced recombination centers, to enable fast switching.

Beim Einsatz von Leistungsdioden als Freilaufdioden in Kombination mit modernen Leistungsschaltern, bei beispielsweise IGBTs, werden die Freilaufdioden sehr schnell vom leitenden in den sperrenden Zustand geschaltet (kommutiert). Die Kommutierungssteilheit di/dt sowie die Zeit, bis die Leistungsdiode mit Spannung beaufschlagt wird, sind vom Schalter und vom Schaltkreis bestimmt. Bei steiler Kommutierung werden diese Leistungsdioden bereits einer hohen Spannung ausgesetzt, während noch Teile der Mittelzone (Basis) der Leistungsdiode mit Ladungsträgern geflutet sind, es tritt dynamischer Avalanche auf.At the Use of power diodes as freewheeling diodes in combination with modern circuit breakers, for example, IGBTs, the Freewheeling diodes very fast from the conductive to the blocking state switched (commutated). The commutation steepness di / dt as well the time until the power diode is energized, are determined by the switch and the circuit. With steep commutation these power diodes are already exposed to a high voltage, while still parts of the central zone (base) of the power diode flooded with charge carriers are, dynamic avalanche occurs.

Aus der DE 43 37 329 , der DE 197 09 652 und der EP 0 689 251 sind Leistungsdioden mit soft-recovery-Verhalten bekannt, die gleichzeitig eine hohe Stabilität unter den Bedingungen des dynamischen Avalanche aufweisen. Mit den dort genannten Maßnahmen wird bei auf unterhalb von 2000V Sperrspannung ausgelegten Leistungsdioden erreicht, dass sie auch bei starken Belastungen nicht zerstört werden. Bei der Herstellung von Leistungsdioden für höhere Sperrspannungen, beispielsweise 3300V, nach dem genannten Stand der Technik können dies Leistungsdioden unter bestimmten nachfolgend genannten Betriebsbedingungen zerstört werden:

  • • Es treten hohe parasitäre Induktivitäten sowie steile Schaltflanken di/dt im Anschlussstromkreis der Leistungsdiode auf. Dies bewirkt eine hohe Spannungsspitze Vpk unmittelbar nach der Rückstromspitze.
  • • Es treten niedrige parasitäre Induktivitäten sowie sehr steile Schaltflanken di/dt im Anschlussstromkreis der Leistungsdiode auf. Weiterhin wird die Spannung von Transistor sehr schnell (< 200ns nach der Rückstromspitze) an die Leistungsdiode angelegt. Dies bewirkt ebenfalls eine hohe Spannungsspitze Vpk unmittelbar nach der Rückstromspitze.
From the DE 43 37 329 , of the DE 197 09 652 and the EP 0 689 251 are known power-recovery diodes with soft-recovery behavior, which at the same time have a high stability under the conditions of dynamic avalanche. With the measures mentioned there, it is achieved with power diodes designed for below 2000V blocking voltage that they are not destroyed even under heavy loads. In the production of higher blocking voltage power diodes, for example 3300V, according to the cited prior art, these power diodes can be destroyed under certain operating conditions mentioned below:
  • • There are high parasitic inductances and steep switching edges di / dt in the connection circuit of the power diode. This causes a high voltage peak V pk immediately after the reverse current peak.
  • • Low parasitic inductances and very steep switching di / dt occur in the connection circuit of the power diode. Furthermore, the voltage of transistor is applied very fast (<200ns after the reverse current peak) to the power diode. This also causes a high voltage peak V pk immediately after the reverse current peak .

Experimentell nachgewiesen wurden derartige Zerstörungen einer auf eine Sperrspannung von 3300V dimensionierten Leistungsdiode bereits bei Spannungsspitzen Vpk = 2000V ± 150V. Die im Stand der Technik vorgeschlagenen Maßnahmen zur Verbesserung dieses Wertes, wie die Erhöhung der Dotierung der p-Zone, eine Modifizierung des Trägerlebensdauerprofils oder eine Beeinflussung der Elektronen-Löcher-Verteilung verändern den Wert der Zerstörungsgrenze unter obigen Bedingungen nur unwesentlich.Such destructions of a power diode dimensioned to a blocking voltage of 3300V were already proven experimentally at voltage peaks V pk = 2000V ± 150V. The measures proposed in the prior art for improving this value, such as increasing the doping of the p-zone, modifying the carrier lifetime profile or influencing the electron-hole distribution, only insignificantly change the value of the destruction limit under the above conditions.

Leistungsdioden mit Sperrspannungen größer 2000V als solche sind beispielhafte bekannt aus der DE 43 05 040 A1 , der DE 100 49 354 A1 sowie aus dem Gebrauchsmuster DE 94 05 072 . In diesen genannten Druckschriften werden Dioden vorgestellt deren Schaltverhalten und/oder Stabilität gegenüber Strahlung verbessert werden soll.Power diodes with reverse voltages greater than 2000V as such are known from the exemplary DE 43 05 040 A1 , of the DE 100 49 354 A1 as well as from the utility model DE 94 05 072 , In these cited documents diodes are presented whose switching behavior and / or stability to radiation to be improved.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe eine Leistungshalbleiterbauelement für Sperrspannungen über 2000V vorzustellen, das eine erhöhte Wiederstandsfähigkeit gegenüber Belastung durch dynamischen Avalanche aufweist, sowie eine einfache Regel zur Dimensionierung derartiger Leistungsdioden anzugeben und gleichzeitig die Durchlassspannung dieser Leistungsdiode nicht stärker zu erhöhen als notwendig.The The present invention has the object of a power semiconductor device for reverse voltages above 2000V to imagine that increased one Resistance ability across from Dynamic avalanche load, as well as a simple one Specify the rule for sizing such power diodes and At the same time the forward voltage of this power diode is not too strong increase as necessary.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.The Task is solved through the measures of claim 1. Further advantageous embodiments are in the dependent claims called.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass die Mittelzone (Basis) der erfinderischen Leistungsdiode ein Weite Wb aufweist, die folgender Bedingung gehorcht: Wgrenz ≤ Wb ≤ 1,2·Wgrenz wobei für Wgrenz gilt:

Figure 00040001
The basic idea of the invention lies in the fact that the middle zone (base) of the inventive power diode has a width W b which obeys the following condition: W cross ≤ W b ≤ 1.2 · W cross where for W grenz applies:
Figure 00040001

Hierbei ist Vpk die maximal zu erwartende Spannungsspitze während des Kommutierungsvorgangs, also zu einem Zeitpunkt an dem noch eine starke Überschwemmung mit Ladungsträgern besteht. Als Richtwerte für Vpk kann man bei normalen Einsatzbedingungen annehmen, dass Vpk ≅ 2/3·VRM wobei VRM die spezifizierte Sperrspannungsklasse der Leistungsdiode ist. Bei besonderen Anforderungen kann unter der Einschränkung einer höheren Durchlassspannung auch ausgegangen werden von Vpk ≅ 3/4·VRM In this case, V pk is the maximum expected voltage peak during the commutation process, ie at a time when there is still a strong flood with charge carriers. As a guideline for V pk it can be assumed under normal conditions of use that V pk ≅ 2 / 3 · V RM where V RM is the specified reverse voltage class of the power diode. For special requirements, the limitation of a higher forward voltage can also be assumed by V pk ≅ 3 / 4 · V RM

Oben genannt Dimensionierungsregel ergibt sich aus folgendem physikalischen Zusammenhang. Bei steiler Kommutierung und hoher Zwischenkreisspannung fließt in der Leistungsdiode noch ein Löcherstrom der Dichte p, während sie gleichzeitig mit Spannung beaufschlagt wird. Für die effektive Dotierung gilt daher Neff = ND + p The dimensioning rule mentioned above results from the following physical relationship. With steep commutation and high DC link voltage, a hole current of density p flows in the power diode, while it is simultaneously applied with voltage. For the effective doping therefore applies N eff = N D + p

Die erhöhte effektive Dotierung vermindert die Avalanche-Spannung, es setzt dynamischer Avalanche ein. Moderater dynamischer Avalanche – dynamischer Avalanche der ersten Art – ist unkritisch. Die erzeugten Elektronen der Dichte nav fließen durch die Raumladungszone, und damit gilt Neff = ND + p – nav The increased effective doping reduces the avalanche voltage, it uses dynamic avalanche. Moderate dynamic avalanche - dynamic avalanche of the first kind - is not critical. The generated electrons of density n av flow through the space charge zone, and thus applies N eff = N D + p - n av

Die hohe Löcherdichte wird damit teilweise kompensiert, d.h. der dynamische Avalanche ist selbst-stabilisierend. Voraussetzung ist allerdings, dass keine Schwachstellen im Design des Chips vorliegen, wie z.B. erhöhte Stromdichten an den Rändern der aktiven Fläche.The high hole density is thus partially compensated, i. the dynamic avalanche is self-stabilizing. Condition is, however, that no There are weak points in the design of the chip, such as increased current densities on the edges the active area.

Sittig und Oetjen [„Current filamentation in bipolar devices during dynamic avalanche breakdown", Solid State Electronics 44, 117–123 (2000)] beschreiben, dass ab einer bestimmten Stromdichte im dynamischen Avalanche, ab etwa 80A/cm2, physikalisch bedingt eine Filamentierung auftritt: Die Kennlinie des dynamischen Avalanche weist einen schwach negativen differentiellen Widerstand auf. Dieser dynamische Avalanche soll als dynamischer Avalanche der zweiten Art bezeichnet werden. Die stromführende Fläche zerfällt nun in Bereiche mit Stromdichten < 100A/cm2 und Filamente mit 1000–1500A/cm2 Stromdichte. Diese Situation kann zum Ausfall von Leistungsdioden führen, z.B. wenn die Dotierung der p-Zone nicht hoch genug ist und der durch die p-Anode fließende Elektronenstrom einen Teil der p-Dotierung kompensieren kann. Allerdings gibt es Mechanismen, die dem entgegenwirken:

  • • Im Filament steigt die Temperatur, wobei die Avalanche-Spannung angehoben wird und dies dem Mechanismus entgegenwirkt;
  • • das Filament führt zu einer schnellen lokalen Ausräumung des Ladungsträgerbergs an dieser Stelle, was der Ursache des Avalanche entgegenwirkt.
Sittig and Oetjen ["Current filamentation in bipolar devices during dynamic avalanche breakdown", Solid State Electronics 44, 117-123 (2000)] describe that from a certain current density in the dynamic avalanche, from about 80A / cm 2 , physically filamentation The characteristic of the dynamic avalanche has a weak negative differential resistance, this dynamic avalanche is said to be a dynamic avalanche of the second kind, the current-carrying surface now dividing into regions with current densities <100A / cm 2 and filaments with 1000-1500A / cm 2 current density. This situation can lead to failure of power diodes, for example, if the doping of the p-zone is not high enough and the current flowing through the p-type anode electron flow can compensate for a part of the p-type doping. However, there are mechanisms that counteract the :
  • • In the filament, the temperature rises, raising the avalanche tension and counteracting the mechanism;
  • • The filament leads to a rapid local clearing of the charge carrier mountain at this point, which counteracts the cause of the avalanche.

Wird das Bauelement durch diesen Zustand nicht zerstört und die Belastung weiter gesteigert, so tritt folgende in der Erfindung beschriebene Situation ein. Auch der nn+-Übergang wird von Ladungsträgern frei, während am pn-Übergang noch dynamischer Avalanche herrscht. Wird auch am nn+-Übergang ein elektrisches Feld aufgebaut und dort die Avalanche-Bedingung erreicht, so setzt dynamischer Avalanche von beiden Seiten ein. Dieser Zustand – dynamischer Avalanche der dritten Art – weist Ähnlichkeiten zum Zünden eines Thyristors auf und führt zur Zerstörung der Leistungsdiode.If the component is not destroyed by this condition and the load is further increased, the following situation described in the invention occurs. Also, the nn + transition is released from charge carriers, while the pn junction still dynamic avalanche prevails. If an electric field is also established at the nn + junction and the avalanche condition is reached there, then dynamic avalanche sets in from both sides. This condition - dynamic avalanche of the third kind - has similarities to the firing of a thyristor and leads to the destruction of the power diode.

Die Grenze, ab derer dieser Zustand erreicht wird, kann durch die erfinderischen Maßnahmen zu höheren Spannungen verschoben werden.The The limit from which this condition is reached can be determined by the inventive activities to higher Tensions are shifted.

Die erfinderische Lösung wird an Hand der 1 bis 5 weiter erläutert.The inventive solution is based on the 1 to 5 further explained.

1 zeigt eine zerstörende Messung an einer Leistungsdiode nach dem Stand der Technik. 1 shows a destructive measurement on a power diode according to the prior art.

2 zeigt eine nicht zerstörende Messung an einer erfinderischen Leistungsdiode. 2 shows a non-destructive measurement on an inventive power diode.

3 zeigt eine zerstörende Messung an einer erfinderischen Leistungsdiode. 3 shows a destructive measurement on an inventive power diode.

4 zeigt die Simulation der Ausfallgrenze von erfinderischen Leistungsdioden sowie von Leistungsdioden nach dem Stand der Technik. 4 shows the simulation of the failure limit of inventive power diodes and power diodes according to the prior art.

5 zeigt die Mindestweite der Basiszone nach der erfinderischen Lösung. 5 shows the minimum width of the base zone according to the inventive solution.

In 1 ist eine zerstörende Messung einer Leistungsdiode mit einer Weite der Mittelzone von WB = 290μm dargestellt. Hierbei markiert (1) den Stromverlauf, sowie (2) den Spannungsverlauf. Wird ein Transistor (IGBT) durch eine zusätzliche Gate-Kapazität so stark angesteuert, dass unmittelbar nach der Rückstromspitze (3) von 360A in einem kurzen Zeitabstand von weniger als 200ns die Leistungsdiode bereits mit einer Spannungsspitze Vpk (4) von ca. 2000V beaufschlagt wird. Die angelegte Zwischenkreisspannung betrug hier 2200V.In 1 is a destructive measurement of a power diode with a width of the central zone of W B = 290μm shown. This marks (1) the current profile, and (2) the voltage curve. If a transistor (IGBT) is so strongly driven by an additional gate capacitance that immediately after the return current spike (3) of 360A in a short time interval of less than 200ns the power diode already has a voltage peak V pk (4) of about 2000V becomes. The applied DC link voltage was 2200V.

Zu beachten ist, dass diese Leistungsdiode nicht durch die Zwischenkreisspannung zerstört wird. Identische Leistungsdioden wurden erfolgreich auch mit Zwischenkreisspannungen bis 2500V getestet, allerdings wurde hier die volle Zwischenkreisspannung erst später, mehr als 1μs nach der Rückstromspitze, an die Leistungsdiode angelegt, wobei die Spannungsspitze Vpk hier nur 1500V betrug.It should be noted that this power diode is not destroyed by the intermediate circuit voltage. Identical power diodes were successfully tested with DC link voltages up to 2500V, but here the full DC link voltage was applied to the power diode only later, more than 1μs after the reverse current peak, whereby the voltage peak V pk here was only 1500V.

Durch eine Variation der Stromdichte während der Rückstromspitze durch verschiedene Steilheit der Ansteuerung di/dt ergab sich, dass die Ausfallgrenze nur schwach von der Stromdichte abhängt, allerdings stark von der Spannung. Bei Belastung der Leistungsdiode durch die Rückstromspitze von 300A/cm2 ergibt sich eine Ausfallgrenze von etwa 2000V ± 150V. Bei niedrigerer Rückstromspitze im Bereich von 200A/cm2 steigt diese Ausfallgrenze nur schwach.By varying the current density during the reverse current peak by different slope of the control di / dt was found that the failure limit depends only weakly on the current density, but much of the voltage. When the power diode is loaded by the reverse current peak of 300 A / cm 2 , a failure limit of about 2000V ± 150V results. At lower reverse current peaks in the range of 200A / cm 2 , this failure limit increases only slightly.

Derartige Messungen wurden sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 125°C durchgeführt, wobei sich an den ermittelten Werten der Zerstörungsgrenze keine signifikanten Änderungen ergaben.such Measurements were performed both at room temperature and at 125 ° C, with no significant changes at the determined values of the destruction limit revealed.

2 zeigt die Messwerte einer Leistungsdiode mit Weite der Mittelzone (Basis) von WB = 340μm. Hierbei kann eine deutlich höhere Spannungsspitze Vpk (2) ohne Zerstörung der Leistungsdiode angelegt werden. Die Leistungsdiode wurde auch durch eine Spannungsspitze Vpk von 2400V nicht zerstört. Eine weitere Erhöhung der Spannung zerstörte die Leistungsdiode (3). Beim Zerstörungspunkt betrug die Zwischenkreisspannung 2650V und die Spannungsspitze lag bei Vpk = 2450V. 2 shows the measured values of a power diode with width of the middle zone (base) of W B = 340 μm. In this case, a significantly higher peak voltage V pk (2) can be applied without destroying the power diode. The power diode was also not destroyed by a voltage peak V pk of 2400V. Another increase in voltage destroyed the power diode ( 3 ). At the destruction point, the DC link voltage was 2650V and the peak voltage was V pk = 2450V.

Die Zerstörungsgrenze lässt sich mit Hilfe eines Bauelement-Simulators nachbilden. 4 zeigt die simulierte Ausfallgrenze für eine Basisweite von 290μm (5) und den Vergleich mit den Messpunkten (Kreise). Auf der Abszisse ist die Stromdichte während der Rückstromspitze (3) aufgetragen, auf der Ordinate der Wert der Spannungsspitze Vpk. Die Simulation gibt die experimentell gefundene schwache Abhängigkeit von der Stromdichte während der Rückstromspitze wieder. Die Bauelement-Simulation zeigt, dass zusätzlich zur Raumladungszone am pn-Übergang unter den extremen Bedingungen auch eine Raumladungszone am nn+-Übergang entsteht. In der Simulation wird angenommen, wenn am nn+-Übergang die elektrische Feldstärke 105V/cm erreicht, ist die Ausfallgrenze erreicht. Es setzt Avalanche-Generation von beiden Seiten ein Diese ist instabil und führt zu einer Filamentierung des Stroms, die zerstörerisch wirkt.The destruction limit can be simulated with the aid of a component simulator. 4 shows the simulated failure limit for a base width of 290μm (5) and the comparison with the measurement points (circles). On the abscissa, the current density during the reverse current peak (3) is plotted on the ordinate, the value of the voltage peak V pk . The simulation shows the experimentally found weak dependence on the current density during the reverse current peak. The component simulation shows that in addition to the space charge zone at the pn junction under extreme conditions, there is also a space charge zone at the nn + junction. In the simulation, it is assumed that when the electric field strength reaches 10 5 V / cm at the nn + junction, the failure limit is reached. It uses avalanche generation from both sides This is unstable and leads to a filamentation of the current, which has a destructive effect.

Eine Simulation einer Leistungsdiode mit einer Weite der Mittelzone (Basis) von WB = 340μm ergibt die Werte der Kurve (6). Der experimentell beobachtete Ausfall aus 3 ist hier als Kreuz eingezeichnet.A simulation of a power diode with a width of the center zone (base) of W B = 340 μm gives the values of the curve (6). The experimentally observed failure 3 is shown here as a cross.

Das hohe elektrische Feld am nn+-Übergang tritt nur dann auf, wenn am pn-Übergang noch dynamischer Avalanche besteht, während der nn+-Übergang frei wird. Um dies zu vermeiden, muss die nicht mehr von Ladungsträgern überschwemmte Zone der Leistungsdiode die Spannung Vpk aufnehmen können. Dazu benötigt sie eine Mindestweite. Die Bauelement-Simulation kann für beliebige Spannungen durchgeführt werden. Für den noch von Ladungsträgern überschwemmten Bereich muss man eine Zone von 100μm bereitstellen.The high electric field at the nn + transition occurs only when there is still dynamic avalanche at the pn junction, while the nn + transition is released. To avoid this, the no longer flooded by carriers zone of the power diode must be able to record the voltage V pk . For this she needs a minimum width. The component simulation can be carried out for any voltages. For the area still flooded by carriers, one must provide a zone of 100μm.

Die Analyse der Vorgänge in den Leistungsdioden ergibt die bereits oben genannte Beziehung zwischen Wgrenz und Vpk.The analysis of the processes in the power diodes yields the already mentioned relationship between W grenz and V pk .

In 5 ist die nach dieser Beziehung ermittelte Mindestweite Wgrenz der Basis dargestellt. Auf der Abszisse ist die Spannungsspitze Vpk aufgetragen, auf die das Bauelement ausgelegt wird. Auf der Ordinate ist die Weite Wgrenz aufgetragen, die notwendig ist, damit das Bauelement bei einer Spannungsspitze Vpk nicht zerstört wird. In obige Beziehung für Vpk geht ausschließlich Wgrenz ein. Hierbei ist beispielsweise die Grunddotierung unerheblich, denn während des dynamischen Avalanche fließen Löcher durch den freigewordenen Teil der Basis der Leistungsdiode, es werden durch dynamischen Avalanche Elektronen generiert, und es stellt sich die für die entsprechende Spannung notwendige effektive Dotierung selbst ein.In 5 is the minimum width W limit of the basis determined according to this relationship. On the down The voltage peak V pk on which the component is designed is plotted. On the ordinate, the width W grenz is applied, which is necessary so that the component is not destroyed at a voltage peak V pk . In the above relation for V pk is exclusively W grenz . Here, for example, the basic doping is irrelevant, because during the dynamic avalanche holes flow through the vacant part of the base of the power diode, it will be generated by dynamic avalanche electrons, and it sets itself the necessary for the corresponding voltage effective doping itself.

Legt man eine Freilaufdiode nach dieser Regel aus, so ist zunächst das Verhältnis der maximal zu erwartenden Spannungsspitze Vpk zur dimensionierten Sperrspannung zu betrachten. Aus den Erfahrungen der Anwendung, in der bis zu 12 einzelner Leistungsdiodenchips parallel geschaltet werden, und die Leistungshalbleitermodule dabei eine Größe von ca. 20 × 15 × 4 cm haben, wobei parasitäre Induktivitäten nicht zu vermeiden sind, kann als Dimensionierungsregel Vpk ≅ 2/3·VRM angenommen werden, da in realen Anwendungen im Gegensatz zu den Messungen der 1 und 2, davon ausgegangen werden kann, dass die Freilaufdiode nicht so schnell mit Spannung beaufschlagt werden. Eine praktikable Auslegung der Leistungsdioden kann daher nach folgender Tabelle erfolgen:

Figure 00080001
If a free-wheeling diode is designed according to this rule, the ratio of the maximum expected voltage peak V pk to the dimensioned reverse voltage must first be considered. From the experience of the application in which up to 12 individual power diode chips are connected in parallel, and the power semiconductor modules thereby have a size of about 20 × 15 × 4 cm, wherein parasitic inductances can not be avoided, can be used as a dimensioning rule V pk ≅ 2 / 3 · V RM to be assumed, as opposed to the measurements in real applications 1 and 2 , It can be assumed that the freewheeling diode is not applied so quickly with voltage. A practical design of the power diodes can therefore be made according to the following table:
Figure 00080001

Da die Streuung der Ausfallgrenze bei den verschiedenen Messungen nur eine Schwankung von 10% aufwies, wird durch eine Dimensionierung von WB auf maximal das 1,2-fache der Mindestweite Wgrenz eine ausreichende Sicherheit geschaffen. Ist eine höhere Sicherheit als 2/3 VRM erforderlich, so ist ein Anpassen leicht möglich. Eine Dimensionierung mit höherem WB geht allerdings auf Kosten der Durchlassspannung oder einer höheren Speicherladung, was zu höheren Schaltverlusten führt.Since the spread of the failure limit in the various measurements only had a fluctuation of 10%, a dimensioning of W B to a maximum of 1.2 times the minimum width W limit provides sufficient security. If a higher security than 2 / 3V RM is required, an adaptation is easily possible. A dimensioning with higher W B , however, comes at the expense of the forward voltage or a higher storage charge, which leads to higher switching losses.

Der genannte Effekt ist anhand von Freilaufdioden mit soft-recovery-Verhalten beschrieben. Er kann in ähnlicher Form bei allen bipolaren Halbleiterbauelementen auftreten, bei denen Betriebsbedingungen mit dynamischem Avalanche vorkommen. Die genannte Dimensionierungsregel zur Erhöhung der Belastbarkeit kann dabei in gleicher Weise angewandt werden.Of the This effect is based on free-wheeling diodes with soft-recovery behavior described. He can be in similar Form occur in all bipolar semiconductor devices where operating conditions occur with dynamic avalanche. The named sizing rule to increase The load capacity can be applied in the same way.

Claims (6)

Leistungshalbleiterbauelement auf Siliziumbasis für Sperrspannungen über 2000V, das zur Aufnahme des elektrischen Felds über eine niedrig dotierte Mittelzone der Weite WB verfügt, wobei für Wb die Beziehung Wgrenz ≤ Wb ≤ 1,2·Wgrenz gilt, wobei
Figure 00100001
ist und Vpk die maximal zu erwartende Spannungsspitze während einer Zeitspanne von 200 ns nach dem Schaltvorgang des Bauelements vom leitenden in den sperrenden Zustand ist, wobei während dieses Zeitraumes noch Elektronen durch dynamischen Avalanche generiert werden.Silicon-based power semiconductor component for blocking voltages above 2000 V, which has a low-doped middle zone of width W B for receiving the electric field, W b having the relationship W limit ≦ W b ≦ 1.2 × W limit , where
Figure 00100001
and V pk is the maximum expected voltage spike during a period of 200 ns after the device is switching from the conducting to the blocking state, during which time electrons are still being generated by dynamic avalanche. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1 welches eine Leistungsdiode ist, bestehend aus einem Halbleiterkörper, der eine Folge von schichtförmigen Zonen aufweist, von welcher die mittlere niedrig dotierte Schicht (Basis) einen ersten Leitungstyp besitzt, an der sich an der einen Seite eine hochdotierte, ersten Außenzone vom ersten Leitungstyp anschließt und an deren anderer Seite sich eine zweiten Außenzone vom zweiten Leitungstyp anschießt, die mit der Mittelschicht einen pn-Übergang einschließt.Power semiconductor component according to claim 1 which a power diode is composed of a semiconductor body, the a sequence of layered Zones, of which the middle low-doped layer (Base) has a first conductivity type, at the one at the Page a highly doped, first outer zone of the first conductivity type followed and on the other side there is a second outer zone of the second conductivity type anschießt, with the middle layer a pn junction includes. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1 wobei die Mittelschicht (Basis) n-dotiert ist.Power semiconductor component according to claim 1 wherein the middle layer (base) is n-doped. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 2, wobei die Leistungsdiode eine mit Rekombinationszentren versehene schnelle Leistungsdiode ist.Power semiconductor device according to claim 2, wherein the power diode is a fast provided with recombination centers Power diode is. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 2 wobei die maximal zu erwartende Spannungsspitze während des Kommutierungsvorgangs zu Vpk ≅ 2/3·VRM festgelegt ist, wobei VRM die spezifizierte Sperrspannungsklasse der Leistungsdiode ist.Power semiconductor component according to claim 2 wherein the maximum expected voltage spike is fixed during the commutation to V pk ≅ 2/3 * V RM, wherein RM V is the specified reverse voltage class of the power diode. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 2 wobei die maximal zu erwartende Spannungsspitze während des Kommutierungsvorgangs zu Vpk ≅ 3/4·VRM festgelegt ist, wobei VRM die spezifizierte Sperrspannungsklasse der Leistungsdiode ist.Power semiconductor component according to claim 2 wherein the maximum expected voltage spike is fixed during the commutation to V pk ≅ 3/4 · V RM, wherein RM V is the specified reverse voltage class of the power diode.
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