Ladungsträgerextraktionsmodell zur Simulation des Abschaltens von IGBTs

In dieser Arbeit wird das Ladungsträgerextraktionsmodell, ein neues Simulationsmodell zur Modellierung des Abschaltens von IGBT, vorgestellt. Kern des Modells ist die eindimensionale Beschreibung des Ausräumens des Elektronen-Loch-Plasmas, der sich daraus ergebenen Aufsteilung des elektrischen Feldes und der Rückwirkungen auf das Gate. Das Modell ist für die Integration in einen Schaltkreissimulator geeignet, gibt aber im Gegensatz zu den in solchen Simulatoren üblichen Modellen das Abschalten physikalisch korrekt wieder.

Durch Implementierung des Avalanche ist dieses Modell auch für Hochvolt-IGBTs verwendbar. Das wird anhand von 6,5kV-IGBTs gezeigt. Mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen an realen Leistungshalbleitermodulen kann die Extraktion der dafür nötigen Parameter erfolgen.

Nach dem Prinzip der Ladungsträgerausräumung beim Abschalten muss die Ladungsträgerverteilung im Durchlass bekannt sein. Die Ladungsträgerverteilung im Durchlass innerhalb eines Bauelementes ändert sich in Abhängigkeit der Temperatur und der Stromdichte. Für die Bestimmung der Ladungsträgerverteilung im Durchlass bei sämtlichen schaltrelevanten Temperaturen und Stromdichten genügt eine Ausmessung der Ladungsträgerverteilung bei drei verschiedenen Betriebspunkten im Durchlass. Es wird gezeigt, dass sich bei Änderung der Temperatur und der Stromdichte die Ladungsträgerverteilung im Bauelement ändert und dass diese Änderung bekannten bzw. ableitbaren physikalischen Gesetzen unterliegt, so dass auf eine weitere Ausmessung der Ladungsträgerverteilung bei erneuter Änderung von Temperatur oder Strom verzichtetet werden kann.

Neben dem Prinzip und der Charakteristik des Ladungsträgerextraktionsmodells wird weiterhin in dieser Arbeit gezeigt, inwiefern die Extraktion der Parameter aus Messungen anhand eines IGBT-Moduls erfolgen kann. Die Simulationen wurden dabei mit erfolgten Messungen verglichen. Die Parameterextraktion ist zwar einfach, jedoch fielen dabei einige Parameter anders aus als in der Realität. Es wurde festgestellt, dass die in der Literatur vorgeschlagene Modellierung des Avalanche zu einer zu starken Wirkung im Ladungsträgerextraktionsmodell führt. Das Modell kann quantitativ sehr exakt die physikalischen Gegebenheiten nachbilden. Dafür sollten die Möglichkeiten der Parameterextraktion wie auch die Theorie zum Avalanche genauer betrachtet werden. Hier liegen die Reserven innerhalb des Ladungsträgerextraktionsmodells.