Halbleiterleistungsbauelemente und Ihre Integration – Stand der Technik und Entwicklungstendenzen

Abstract:
Die Leistungshalbleiter Komponenten und Smart Power ICs haben sich als die treibende Kraft hinter der fortschreitenden Entwicklung auf dem Gebiet der leistungselektronischen Systemtechnik, insbesondere im Hinblick auf Energieeinsparung, Steuerungsdynamik, Lärmreduzierung und nicht zuletzt bei Gewichts- und Volumenreduzierung, erwiesen. Leistungshalbleiter werden vor allem eingesetzt um den Energiefluß zwischen Energiequelle und dem Verbraucher zu steuern. Das erfolgt mit gößter Präzision bei extrem kurzer Steuerungszeit und mit äußerst niedrigen Verlusten. Als Chopper arbeiten sie als Verbindung zwischen der Mikroelektronik und dem Leistungswandler. Die dramatische Entwicklung der IC Technologien, insbesondere während der letzten Dekade, macht es mittlerweile möglich ein direktes Interface zur Mikroelektronik in den Leistungshalbleiter zu integrieren (monolithisch oder hybrid) um damit eine einfache Antriebscharakteristik bei guter Steuerungsdynamik bis hinauf in den Megawattbereich zur realisieren. Der andauernde technologische Fortschritt in der Leistungselektronik für Automobil und Industrie Anwendungen wird getrieben durch: ^- Energieeinsparung durch neue Schaltungstopologien, basierend auf neuen Halbleiterkonzepten ^- Miniaturisierung elektrischer Systeme ^- Kostenreduzierung durch Systemintegration ^- Gesteigerte Zuverlässigkeit durch höhere Integrationsdichte ^- Erhöhte Betriebstemperaturen Der Trend zu rationellerer Energienutzung, Miniaturisierung der elektrischen Systeme und zu besserem Energiemanagement hat die revolutionären Entwicklungen bei den Leistungshalbleitern und der Leistungselektronik in den letzten 20 Jahren angetrieben. In diesem Artikel werden neue Leistungshalbleitertechnologien und Bauelementkonzepte und deren Entwicklung in den letzten Jahren im Überblick vorgestellt. Die Diskussion erfolgt insbesondere unter dem Aspekt der Anforderungen an schnelles Schaltverhalten für hochdynamische Antriebe, hoher Überlastfähigkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit in Automobil- und Indutrieapplikationen. Im Automobilsegment werden Technologien für hohe Betriebstemperaturen benötigt, in der Industrie vorwiegend höhere Betriebsspannungen.