Untersuchungen zur Robustheit von IGBT-Chips im Lawinendurchbruch

Diese Arbeit analysiert „Insulated Gate Bipolar Transistoren“ (IGBTs) unter rauen Einsatzbedingungen, wie sie zum Beispiel beim Einsatz in Automobilen vorliegen. Die Motivation hierzu ist, einen maximal möglichen sicheren Arbeitsbereich („Safe Operating Area“) zu realisieren, bei dem das Bauelement bei großen Strömen und hohen Temperaturen im Lawinendurchbruch ohne Zerstörung betrieben werden kann. Anhand von numerischen Simulationen und elektrischen Messungen wird das Verhalten von IGBT-Chips analysiert, wobei zwei qualitativ unterschiedliche Verhaltensweisen festzustellen sind: IGBT-Chips mit einer „Junction Termination Extension“ zeigen einen ununterbrochenen Stromfluss im Lawinendurchbruch; dieser Zustand ist verknüpft mit einem Zweig positiven differenziellen Widerstands in der stationären Sperrkennlinie. IGBT-Chips mit einer „Variation of Lateral Doping“ hingegen zeigen eine periodische Folge von Stromspitzen im Lawinendurchbruch, bei dem die Stromspitzen auf einen Stromfilamentierungsprozess zurückzuführen sind. Eine Stromspitze entsteht durch ein komplexes Wechselspiel zwischen einer dynamischen Modulierung des elektrischen Felds und lokaler Selbsterwärmung; dieser Mechanismus ist nicht destruktiv, sondern macht für kurze Zeiten große Ströme und hohe Temperaturen im Lawinendurchbruch tolerierbar. Der Mechanismus korreliert mit einem Zweig negativen differenziellen Widerstands in der stationären Sperrkennlinie. Messungen an IGBT-Chips bestätigen die Simulationsresultate. Die Untersuchungen zeigen weiterhin, dass der Randabschluss mit dem benachbarten aktiven Bereich eines IGBT-Chips zusammen optimiert werden muss, um einen maximal möglichen sicheren Arbeitsbereich im Lawinendurchbruch zu erreichen.