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Optimierung der Bauelementestruktur von vertikalen Power-MOSFET für Applikationen in der Leistungselektronik

Diese Arbeit untersucht die Optimierung moderner vertikaler Leistungstransistoren
hinsichtlich ihrer Durchlaßverluste und der Robustheit gegenüber Fehlerzuständen.
Vorrangig werden Transistoren der Spannungsklassen von 80 V bis
250 V betrachtet. Für diese Spannungsklassen haben sich Transistoren, die das
Prinzip der Feldplattenkompensation nutzen, als vorteilhaft erwiesen. Dies wird
anhand analytischer Betrachtungen im Vergleich mit alternativen Konzepten
nachgewiesen.
In leistungselektronischen Applikationen kann es zu hohen elektrischen Verlusten
im Transistor kommen. Diese sind gekennzeichnet durch hohe Spannung
und gleichzeitig hohe Stromdichten. Im Extremfall des Unclamped Inductive
Switching (UIS) wird der Transistor im Durchbruch betrieben. Der Transistor
muß aus diesem Grund eine hohe Avalanchefestigkeit besitzen.
In Messungen und Simulationen wird dieser Fehlerfall nachgebildet. Zwei unterschiedliche
Zerstörkriterien lassen sich in Abhängigkeit von der Lastinduktivität
angeben. Zum einen die temperaturlimitierte Zerstörung bei großen Induktivitäten
und zum anderen die stromlimitierte Zerstörung bei kleinen Induktivitäten,
aber hohen Stromdichten. Die Kriterien für beide Zerstörungsfälle werden analytisch
und anhand von Messungen untersucht und der Zusammenhang mit
wichtigen Designparametern des Leistungstransistors wird hergestellt. Ebenso
werden die Zerstörungsarten und ihre physikalischen Ursachen einer detaillierten
Analyse unterzogen.
Wichtige Rückschlüsse auf die Optimierung des Transistors hinsichtlich der
Durchlaßverluste und Avalanchefestigkeit werden angegeben. Zu diesem Zwecke
werden verschiedene Simulationsansätze entwickelt und verglichen. Besondere
Effekte, wie das inhomogene Schalten auf dem Chip sowie das Temperaturverhalten
des ertragbaren Avalanchestromes und ihre Ursachen sind ebenfalls
Gegenstand der Arbeit.
Die erzielten Erkenntnisse erleichtern den Prozeß des Designs und der Optimierung
vertikaler Leistungstransistoren, die das Prinzip der Feldplattenkompensation
nutzen.