Student: Vishvas Nanjunda Swamy

Kurzbeschreibung

Superjunction-Bauelemente haben bereits in Silizium-Technologien gezeigt, dass die bisherige „Silizium-Grenze“ überschritten werden kann. Sie ermöglichen eine kleinere Chipfläche pro Bauteil und/oder eine Reduktion des Einschaltwiderstands im Vergleich zu konventionellen Designs bei gleicher Auslegungsspannung. Die Industrie orientiert sich für Hochspannungsanwendungen zunehmend in Richtung Siliziumkarbid (SiC). Aufgrund der Ähnlichkeiten zwischen beiden Technologien ist zu erwarten, dass sich Superjunction-Konzepte auch in SiC durchsetzen werden.

Das Hauptziel von Superjunction-Designs ist es, den Driftwiderstand zu reduzieren, indem die Aufgaben der Driftzone in Leiten und Sperren aufgeteilt werden (Details siehe unten). In MOSFET-Anwendungen sind jedoch nicht nur die Leitverluste relevant: Insbesondere während des dynamischen Schaltens treten zusätzliche Verlustmechanismen auf. Obwohl das Superjunction-Prinzip die Ausgangskapazität im Vergleich zu konventionellen Driftzonen-Designs im Allgemeinen reduziert, muss dieses Potenzial gegen die Leitverluste abgewogen werden, da Designentscheidungen in diesem Bereich zum Teil miteinander in Konflikt stehen. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Optimierungsschleife aufzuzeigen, mit der sich für spezifische Anwendungen ein Bauelement-Design ableiten lässt, das sowohl Leit- als auch dynamische Verluste optimiert.

Ziele der Arbeit

Hauptziel

Demonstration einer Optimierungsschleife zur Reduktion der Leistungsverluste von Siliziumkarbid-Superjunction-MOSFET-Designs für Traktionsantriebe und Ladeanwendungen von Batterien.

Teilziele

• Entwicklung eines Verständnisses für das dynamische Verhalten von Superjunction-Bauelementen sowie Identifikation und Bewertung der dynamischen Verlustfaktoren von Siliziumkarbid-Superjunction-MOSFETs
• Investigation of concepts for optimizing dynamics using TCAD models and subsequent characterization with the double-pulse method
• Creation of an exemplary SPICE model of a traction inverter and an AC or DC/DC converter that allows the integration of a compact model derived from the TCAD model
• Development and demonstration of an optimization loop between the device model and the application model
• Stretch goal: Integration eines thermomechanischen Modells in die Optimierungsschleife

Technical Background: Superjunction

Vereinfacht ist die Sperrfähigkeit einer PN‑Übergangsdiode über die Breite der Raumladungszone wie folgt verknüpft:

U_\text{BC} \approx E_\text{crit} \cdot d_\text{SCR}

In konventionellen MOSFET-Designs beginnt sich die Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen Body und Driftzone als eindimensionale Front zu bilden und dehnt sich proportional mit der Sperrspannung aus. Superjunction-Strukturen verändern die Geometrie dieses pn-Übergangs so, dass eine zweite Front entsteht, entlang derer sich die Raumladungszone mit steigender Sperrspannung ausbreitet. Eine der Fronten bewegt sich – wie in konventionellen Strukturen – vertikal, während sich die zweite Front lateral ausbreitet. Wie in der untenstehenden Abbildung zu sehen ist, treffen sich bei ausreichend hoher Sperrspannung die lateralen Fronten. Dadurch vergrößert sich die Raumladungszone stark und wird für die gegebene Sperrspannung deutlich breiter als bei einem konventionellen Design.

In konventionellen MOSFET-Designs kann die Größe der Raumladungszone über die Dotierkonzentration der Driftzone eingestellt werden gemäß:

d_{\mathrm{SCR}} \propto \sqrt{\frac{1}{N_A} + \frac{1}{N_D}}

Dies führt jedoch dazu, dass der Widerstand der Driftzone proportional ansteigt. Da im Superjunction-Konzept die Breite der Raumladungszone zusätzlich durch die Geometrie vergrößert wird, wird eine höhere Dotierung der Driftzone möglich, was wiederum den Driftwiderstand reduziert. Chip-Designs können dieses frei gewordene Budget nutzen, um entweder den Einschaltwiderstand oder die Chipfläche zu verringern.

⛶

Abbildung des Funktionsprinzips der Superjunction. a) Ausbreitung einer Raumladungszone mit steigender Sperrspannung. b) Vereinfachte parasitäre Kapazitäten in einem MOSFET. c) Vereinfachter Vorwärtswiderstand in einem MOSFET.

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Art des Projektes :

Masterarbeit

Status:

laufend

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