7.4.2 Vorwärtsleitung bei guter Kühlung

Um den Einfluß von Selbsterwärmungseffekten auf statischen Latch-Up zu untersuchen, wird ein repräsentativer IGT im eingeschalteten Zustand unter verschiedenen Kühlbedingungen simuliert. Das Simulationsgebiet umfaßt nur eine Hälfte einer symmetrischen IGT-Zelle. Ein kompletter IGT besteht aus tausenden gleichartiger, parallel geschalteter Zellen auf einem Chip. Die Angaben zu Geometrie und Dotierungsprofil stammen aus der Literatur [22].

  
Abbildung 7.23: -Emitter , p-Basis , Teil der n-Basis

Abb. 7.23 zeigt den MOS-Bereich des IGT's, der im Hinblick auf Latch-Up-Untersuchungen am meisten interessiert. Der -Emitter ist in die zweifach dotierte -Basis eingebettet. Die -Basis (Driftgebiet) ist mit einer Länge von auf eine Blockierspannung von ausgelegt. Ein langes -dotiertes Substrat, das in Abb. 7.23 nicht zu sehen ist, bildet den unteren Abschluß des Simulationsgebietes. Es handelt sich um einen symmetrischen IGT mit uniform dotierter -Basis ohne -Bufferschicht. Die Kanallänge beträgt wie in [20]. Um den Kanalwiderstand zu senken werden moderne IGT's inzwischen mit kürzeren Kanälen gebaut (typisch ). Die Oxiddicke von entspricht dem Stand der Technik. Die Auslegung der -Basis ist von entscheidender Bedeutung für die Latch-Up-Festigkeit des IGT's. Sie besteht aus einem hoch- und einem niederdotierten Anteil. Eine niedrige Kanaldotierung gewährleistet eine niedrige Einsatzspannung. Der Schichtwiderstand des tiefer liegenden, höher dotierten Bereichs der -Basis soll um zwei Zehnerpotenzen kleiner sein als im Kanalbereich, um den Spannungsabfall durch den lateralen Löcherstrom zu reduzieren und damit die Latch-Up-Festigkeit zu erhöhen [19].

  
Abbildung 7.24: Elektronenkonzentration [] im Gleichgewicht,

  
Abbildung 7.25: Löcherkonzentration [] im Gleichgewicht,

Abb. 7.24 und 7.25 zeigen den Logarithmus der Gleichgewichtsverteilungen von Elektronen- und Löcherkonzentrationen im kritischen -Emitter- und -Basisbereich des IGT's. Es ist deutlich zu sehen, wie das -Basisgebiet, in das der -Emitter eingebettet ist, in die schwach -dotierte Driftregion, die das zentrale Gebiet des IGT's darstellt, hineinreicht.

Um den kritischen Wert des Kollektorstroms zu finden, bei dem Latch-Up auftritt, wird zunächst eine transiente, thermoelektrische Simulation mit rampenförmig steigender Kollektorspannung durchgeführt. Um den Simulationen in [20], die auf der Annahme konstanter Bauelementtemperatur beruhen, möglichst nahezukommen, wird in den ersten Simulationen sehr gute Kühlung vorausgesetzt. Die Wärmeübergangszahl beträgt wieder . Doppelseitige Kühlung wird angenommen. Die Temperatur der Wärmesenke beträgt in allen Simulationen . In guter Übereinstimmung mit [20] ergibt sich ein Arbeitspunkt (,), der unter den vorausgesetzten sehr guten Kühlbedingungen im sicheren Arbeitsbereich (SOA (Safe Operating Area)) des IGT liegt. Für diesen wird die stationäre thermoelektrische Lösung berechnet.

  
Abbildung 7.26: Elektronenkonzentration [], SOA, , = , =

Abb. 7.26 und 7.27 zeigen den Logarithmus der Ladungsträgerkonzentrationen im -Emitter, im Kanalbereich und in der -Basis. Die hohe Elektronenkonzentration im -Emitter fällt steil zur -Basis ab. Es gibt keine direkte leitende Verbindung vom -Emitter zur -Basis unterhalb des Emitters. Der Elektronenstrom kann nur über den gut ausgeprägten und in Abb. 7.26 gut sichtbaren Inversionskanal geführt werden. An ihn schließt der Bereich der akkumulierten Oberfläche der -Basis an. Ein Vergleich von Abb. 7.25 mit Abb. 7.27 läßt das Maß der Minoritätsträgerinjektion in der -Basis erkennen. Löcher und Elektronen bilden in der -Basis ein quasineutrales Plasma. Das Temperaturmaximum beträgt .

  
Abbildung 7.27: Löcherkonzentration [], SOA, , =, =