Durchbruchsüberwachung bei Leistungshalbleitern

31. Oktober 2016, 13:47 Uhr
Durchbruchsüberwachung bei HF-Oszillatoren für Radarsensoren. Bild: tlb.de.
Durchbruchsüberwachung bei HF-Oszillatoren für Radarsensoren. Bild: tlb.de.
Bei Leistungshalbleitern sowohl in ICs als auch bei diskreten Transistoren besteht außerhalb der sogenannten SOA (Safe Operating Area) die Gefahr des Durchbruchs. Besonders HF-Oszillatoren für Radarsensoren etc. oder Smart-Power-Anwendungen sind gefährdet. Ein zerstörerischer Durchbruch an PN-Übergängen tritt ab einer kritischen Feldstärke auf. Durch Echtzeitüberwachung der dabei entstehenden optischen Strahlung kann dies verhindert werden.

Erich Kasper und Michael Morschbach vom Institut für Halbleitertechnik der Universität Stuttgart haben eine neue Lösung entwickelt, mit der die entstehende Strahlung bei einem Durchbruch an einem PN-Übergang erfasst und durch Reduktion von Spannung bzw. Strom beim belasteten Bauteil der drohende Durchbruch effektiv verhindert werden kann

Um individuelle Schwankungen des Bauelements und Temperatureffekte zu berücksichtigen, schränken bisherige Lösungen den sicheren Betriebsbereich bzw. stark ein. Dadurch kann wiederum die Leistung aufgrund nötiger Sicherheitsreserven nicht voll ausgeschöpft werden. Die Durchbruchüberwachung der Erfindung wird durch eine in das Halbleiterbauteil integrierte Fotodiode realisiert. Ein PN-Übergang emittiert während eines Durchbruchs immer optische Strahlung. In Abhängigkeit dieser erfassten Strahlung wird dann die an den PN-Übergang angelegte Spannung bzw. der Strom geregelt. Oberhalb eines Grenzwert wird der Strom bzw. Spannung so weit verringert, dass optische Emission wieder unter dem Grenzwert liegt und ein vollständiger Durchbruch verhindert wird. Bei so gesicherten Bauteilen kann der genutzte Arbeitspunkt somit unmittelbar vor den Durchbruch gelegt werden.

Es ist auch möglich, in ICs mehrere durchbruchgefährdete PN-Übergänge zu überwachen. Auf die Streuung der Eigenschaften von Bauelementen muss ebenfalls weniger Rücksicht genommen werden, da ein bevorstehender Durchbruch erkannt und vermieden wird. Dadurch werden ein höherer Betriebstemperaturbereich, eine höhere Leistung und eine längere Lebensdauer möglich.
 
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