Halbleitertechnik III - Leistungshalbleiterbauelemente (HL III) - Cheatsheet

Elementare Halbleitermaterialien und ihre Eigenschaften

Definition:

Grundlegende Materialien in der Halbleitertechnik, die einzigartige elektrische Eigenschaften besitzen.

Details:

• Hauptmaterialien: Silizium (Si), Germanium (Ge)
• Spezielle Eigenschaften: Bandlücken (Si: 1.1 eV, Ge: 0.66 eV)
• Reine Form: Intrinsische Halbleiter
• Dotierung: Hinzufügen von Verunreinigungen zur Schaffung von p-Typ und n-Typ Materialien
• Wichtigste Anwendungen: Leistungshalbleiterbauelemente wie Dioden und Transistoren

Trägergeneration und -rekombination

Definition:

Erzeugung und Rekombination von Elektronen und Löchern in Halbleitern.

Details:

• Generationsprozesse: thermische Anregung, optische Anregung (Photonen-Absorption)
• Rekombinationsprozesse: Strahlungsrekombination, Auger-Rekombination, Oberflächenrekombination
• Raten: Generationsrate (\textbf{G}), Rekombinationsrate (\textbf{R})
• Gleichgewicht: \textbf{G} = \textbf{R} im thermischen Gleichgewicht
• Lebensdauer von Trägern \textbf{τ} wichtig für die Geräteperformance
• Mathematische Modelle: Continuity-Gleichungen und Shockley-Read-Hall-Modell
• Wechselwirkungen mit Dotierung und Defekten beeinflussen Rekombination

Dotierung und ihre Auswirkungen

Definition:

Prozess, bei dem Fremdatome in ein Halbleitermaterial eingeführt werden, um dessen elektrische Eigenschaften zu modifizieren.

Details:

• Erhöht die Leitfähigkeit von Halbleitern
• N-Typ-Dotierung: Zufügen von Donatoren (z. B. Phosphor) \rightarrow Elektronenüberschuss
• P-Typ-Dotierung: Zufügen von Akzeptoren (z. B. Bor) \rightarrow Löcherüberschuss
• Kompensationsdotierung zur Kontrolle des Fermi-Niveaus
• Dotierungskonzentration beeinflusst Verarmungsschicht, Durchbruchspannung und Schaltzeiten
• Verwendung in Bauelementen wie Dioden, Transistoren und Thyristoren

Technologien zur Optimierung von Leistungshalbleiterbauelementen

Definition:

Technologien zur Verbesserung der Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistung von Leistungshalbleiterbauelementen wie Dioden, Transistoren und Thyristoren.

Details:

• Verwendung von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit und thermischen Stabilität.
• Optimierte Herstellungsverfahren wie IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) und MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) Strukturen.
• Reduktion der Schaltverluste und Minimierung von Leckströmen.
• Integration von Wärmeableitungsmechanismen.
• Verbesserung der Gate-Treiberschaltungen zur Verbesserung der Schaltzeiten.

Thermomanagement und Kühlung in Leistungshalbleitern

Definition:

Thermomanagement und Kühlung in Leistungshalbleitern umfasst alle Maßnahmen, um die Betriebstemperatur von Leistungshalbleiterbauelementen innerhalb sicherer Grenzen zu halten.

Details:

• Vermeidung von Überhitzung durch Abführen der entstehenden Wärme
• Kühlmethoden: passive Kühlung (z.B. Kühlkörper), aktive Kühlung (z.B. Lüfter, Flüssigkeitskühlung)
• Verwendung von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit
• Temperaturmanagement wichtig für die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Bauelemente
• Leistungsabsorption durch Joule'sche Wärme: \( P = I^2 \times R \)
• Thermische Widerstände: \( R_{th} = \frac{T_j - T_a}{P} \)
• Thermische Modellierung und Simulation notwendig zur Analyse

Designprinzipien für Leistungshalbleiter

Definition:

Grundlegende Richtlinien und Techniken bei der Entwicklung von Halbleiterbauelementen, die zur Steuerung und Umwandlung hoher elektrischer Leistung dienen.

Details:

• Optimierung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit
• Vermeidung von Hot Spots durch gleichmäßige Stromverteilung
• Minimierung von Schaltverlusten und parasitären Induktivitäten
• Passendes Packaging zur Wärmeableitung und mechanischen Stabilität
• Volt-Ampere-Kennlinien und Durchbruchspannung beachten
• Verwendung geeigneter Halbleitermaterialien wie Si, SiC, GaN

Simulationsmethoden und -tools

Definition:

In der Vorlesung HL III werden verschiedenen Simulationsmethoden und -tools behandelt, die zur Analyse und Optimierung von Leistungshalbleiterbauelementen eingesetzt werden.

Details:

• Methoden: Drift-Diffusions-Modell, hydrodynamisches Modell
• Tools: Sentaurus, COMSOL Multiphysics, SILVACO
• Ziele: Verbesserung von Effizienz, Zuverlässigkeit und thermischem Management
• Anwendungen: Simulation von elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften
• Ergebnisse: Veranschaulichung der Verteilungsprofile von Ladungsträgern, elektrische Kennlinien

Analyse von Fehlermechanismen und Ausfallmodi

Definition:

Untersuchung der Ursachen und Modelle für Fehlfunktionen und Ausfälle in Leistungshalbleitern.

Details:

• Fehlermodi: Kurzschluss, Unterbrechung, Festhängen
• Primäre Fehlermechanismen: Thermische Überlastung, Mechanische Beanspruchung, Elektromigration
• Analyseverfahren: FMEA (Failure Mode and Effects Analysis), Zuverlässigkeitstests, Thermische Analyse
• Formeln: Lebensdauerberechnung \( \tau = \tau_0 e^{\frac{E_a}{kT}} \)
• Wichtige Begriffe: Aktivierungsenergie (\( E_a \)), Betriebstemperatur (\( T \)), Boltzmannkonstante (\( k \))