Wirkung des Ladungsträgerplasmas auf das Abschaltverhalten von Insulated Gate Bipolar Transistoren

Der Grund für die gute Steuerbarkeit der Spannungsflanke beim IGBT und beim MOSFET ist die Millerkapazität. Diese koppelt den Kollektor beziehungsweise den Drain zurück auf das Gate. Im eingeschalteten Zustand tragen beim IGBT Elektronen und Löcher zum Stromfluss bei. Demnach ist der IGBT, anders als der MOSFET, ein bipolares Bauelement. Diese Arbeit zeigt, dass der zeitliche Verlauf des räumlichen Maximums der elektrischen Feldstärke maßgeblich das Schaltverhalten bestimmt. Auf Grund des Löcherstromes in der Raumladungszone beim Abschalten des IGBTs ist der Gradient der elektrischen Feldstärke und auch das räumliche Maximum der elektrischen Feldstärke während der Spannungsflanke höher als im stromlosen Zustand. Diese Gegebenheit führt zu unterschiedlichen Auswirkungen der Millerkapazität beim Abschalten von IGBT und MOSFET. Während des Abschaltvorganges des MOSFETs steuert der Gateentladestrom den zeitlichen Verlauf der elektrischen Feldstärke und die zeitliche Änderung der Drain-Source Spannung. Beim IGBT hingegen steuert der Gateentladestrom nur den zeitlichen Verlauf der elektrischen Feldstärke und indirekt die Änderung der Kollektor-Emitter Spannung. Daher kann das Abschaltverhalten des MOSFETs mit einem kapazitiven Ersatzschaltbild analysiert werden. Hingegen ist es beim IGBT sinnvoller, das Abschaltverhalten in direkter Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke zu untersuchen. Dazu kann die dreidimensionale Struktur des IGBTs auf eine Dimension reduziert werden. Hiermit lassen sich viele der beim Abschalten auftretenden Effekte erklären. Diese werden im Rahmen dieser Dissertation diskutiert und anhand von Messungen und Simulationen mit einem Finite Elemente Simulator belegt.