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.     «

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 a...     »

This work investigates Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) in harsh operating conditions as required in automotive applications. Achieving the largest possible safe-operating area within which devices operate under large avalanche-currents and high temperatures without destruction is a major concern in the field of power devices. We investigated by numerical simulations and electrical measurements the behavior of IGBT-chips and two different behaviors were determined: IGBT-chips with a junction termination extension show an uninterrupted current flow in the avalanche regime which is associated with a positive differential resistance in the static blocking characteristics. IGBT-chips with a variation of lateral doping show a periodic sequence of current peaks in the avalanche regime. These current peaks are caused by a current filamentation process initiated and sustained by the interplay between a dynamically modulated electric field and localized self-heating. This mechanism is not destructive and makes it possible that the IGBT-chip is capable of withstanding large avalanche-currents and high temperatures for a certain short period of time. This process is associated with a region of negative differential resistance in the static blocking characteristics. The simulations are corroborated by measured data on IGBT-chips. Additionally we show that for the largest possible safe-operating area the edge termination structure together with the first neighboring cells in the active part of an IGBT-chip has to be focused on for design optimization.     «

This work investigates Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) in harsh operating conditions as required in automotive applications. Achieving the largest possible safe-operating area within which devices operate under large avalanche-currents and high temperatures without destruction is a major concern in the field of power devices. We investigated by numerical simulations and electrical measurements the behavior of IGBT-chips and two different behaviors were determined: IGBT-chips with a ju...     »