übung Bauelemente der Leistungselektronik WS 2021/22 Maximilian Goller/ Madhu Lakshman Mysore 1. Bandabstand und Eigenleitdichte 1.1. Geben Sie den Anwendungsbereich der folgenden Leistungshalbleiter aus Si an – MOSFET – Thyristor – IGBT – GTO/GCT im Hinblick auf Strom, Spannung und Schaltfrequenz an. 1.2. Beschreiben Sie die Rolle von SiC MOSFETs und GaN HEMTs im Hinblick auf Strom, Spannungsklasse und Schaltfrequenz. Z hlen Sie dazu die Vorteile von GaN und SiC als Basismaterial auf. 1.3. Geben Sie den Anwendungsbereich der in 1.1 und 1.2. genannten Leistungshalbleiter an. Nennen Sie jeweils mindestens eine typische Anwendung. 1.4. Berechnen Sie die Wellenl nge des ausgesandten Lichts bei der Rekombination eines Elektrons von Leitungsband ins Valenzband für WG,SiC = 3.23 eV, WG,Si = 1.124 eV, WG,GaN = 3.39 eV, WG,GaAs = 1.422 eV. Welcher Bereich der Wellenl nge ist für Menschen sichtbar Berechnen Sie die Bandlücke, die ein Halbleiter besitzen muss, um sichtbares Licht auszusenden. 1.5. Zeichnen und erkl ren Sie das Wellenvektordiagramm für direkte und indirekte Halbleiter. Welche Eigenschaften bestimmen, ob ein Halbleiter direkt oder indirekt ist Nennen Sie mindestens je zwei Beispiele. (Hinweis: Die Zeichnungen sind sauber und per Hand anzufertigen. Achten Sie bei der digitalen Einreichung auf ausreichende Qualit t!) übung Bauelemente der Leistungselektronik WS 2021/22 Maximilian Goller/ Madhu Lakshman Mysore 1.6. Warum eignet sich Germanium nicht gut für die Herstellung von Leistungshalbleitern. Zeichnen Sie zur Erl uterung die Ausgangskennlinie einer Germanium Diode und einer Silizium Diode in einem Diagramm. Geben Sie eine physikalische Erkl rung an. 1.7. Berechnen Sie die Eigenleitdichte der folgenden Halbleiter bei Temperatur T = 300 K: – Ge (WG = 0.67 eV) – Si (WG = 1.12 eV) – GaAs (WG = 1.42 eV) – SiC (WG = 3.26 eV) Wie verh lt sich die Eigenleitdichte mit zunehmender Temperatur 1.8. Warum ndern sich Eigenleitdichte, elektrische Feldst rke, Leckstrom and Threshold-Spannung mit ansteigender Bandlücke. Erkl ren Sie das jeweilige Verhalten mit Hilfe von Gleichungen. 1.9. Berechnen Sie die Bandlücke von Silizium und Gallium Nitrid. Nutzen Sie die Tabelle und berechnen Sie die Temperatur für die Bandlücken WG,4H SiC = 3.188 eV und WG,GaAs = 1.352 eV. Si GaAs 4H-SiC GaN WG(0) (eV) 1.170 1.519 3.263 3.47 α (eV/K) 4.73× 10 4 5.405× 10 4 6.5× 10 4 7.7× 10 4 β (K) 636 204 1300 600 übung Bauelemente der Leistungselektronik WS 2021/22 Maximilian Goller/ Madhu Lakshman Mysore 1.10. Zeichnen und erkl ren Sie die Besetzungswahrscheinlichkeit der Fermi-Dirac Verteilung für drei verschiedene Temperaturen 0 K, 300 K und 400 K. (Hinweis: Die Zeichnungen sind sauber und per Hand anzufertigen. Achten Sie bei der digitalen Einreichung auf ausreichende Qualit t!) 1.11. Erl utern Sie die Vor- und Nachteile von Diamant als Basismaterial für Leistungshalbleiter! 1.12. Erkl ren, skizzieren und vergleichen Sie direkte Band-Band Rekombination, Auger Rekombination, und Shockley-Read-Hall Rekombination miteinander. In welchen Halbleitern und in welchem Bereich eines Leistungshalbleiters werden die verschiedenen Rekombinationsarten erwartet (Hinweis: Die Zeichnungen sind sauber und per Hand anzufertigen. Achten Sie bei der digitalen Einreichung auf ausreichende Qualit t!) 1.13. Wodurch zeichnen sich Materialien mit gro er Bandlücke, auch “wide bandgap” Materialien, aus. Nennen Sie je drei Beispiele für Vorteile und Eigenschaften. Was macht sie attraktiv für die Anwendung in der Leistungselektronik (Hinweis: Achten Sie Ihre Antwort auf die Vollst ndigkeit ihrer Erkl rung!) übung Bauelemente der Leistungselektronik WS 2021/22 Maximilian Goller/ Madhu Lakshman Mysore 2. Undotiertes und dotiertes Silizium 2.1 Ein Siliziumblock habe bei Zimmertemperatur 1010 cm-3 freie Elektronen. Berechnen Sie für die Feldst rke von E = 5 V/mm: – die Stromdichte – die Driftgeschwindigkeit der Elektronen – den spezifischen Widerstand 2.2 Ein Siliziumstab der L nge 10 mm und der Fl che 1 mm2 sei n-dotiert mit ND = 10 14 cm-3. Berechnen Sie den Widerstand dieses Stabes! 2.3 Ein Halbleiter aus Si hat die n-Dotierung ND = 8 1013cm-3. Berechnen Sie die Lage des Fermi-Niveaus im Abstand zur Valenzbandkante a) für Raumtemperatur, T = 300K b) für = 150°C, d.h. 423 K 2.4 Ein SiC-Halbleiter habe die p-Dotierung NA = 2 1018cm-3 (z.B. in der p-Schicht einer pin-Diode). a) Als Dotierstoff ist Bor verwendet. Berechnen Sie die Dichte der ionisierten Akzeptoren. b) Berechnen Sie dasselbe, wenn als Dotierstoff Al verwendet wird. 2.5 Um wie viel Prozent ndert sich die Beweglichkeit der Elektronen, wenn ein Si- Bauelement von Raumtemperatur T = 300K im Betrieb um ΔT = 125K erw rmt wird a) Bei niedriger Dotierung ND = 2 1014cm-3 b) Bei h herer Dotierung NA = 1 1017cm-3 übung Bauelemente der Leistungselektronik WS 2021/22 Maximilian Goller/ Madhu Lakshman Mysore 3. Der pn-übergang 3.1. Stellen Sie die Ladungstr gerverteilung, Raumladung und Feldst rkeverlauf bei einer pn-Diode im stromlosen Zustand dar. (Hinweis: Die Zeichnungen sind sauber und per Hand anzufertigen. Achten Sie bei der digitalen Einreichung auf ausreichende Qualit t!) 3.2. Leiten Sie die Gleichung für die Diffusionsspannung her. Machen Sie gegebenenfalls eine Skizze. 3.3. Berechnen Sie die Diffusionsspannung am pn-übergang für die folgende Dotierung: NA = ND = 10 18 cm 3 bei T = 300 K. Diskutieren Sie die Abh ngigkeit der Diffusionsspannung von der Temperatur und der Dotierung! 3.4. Wie und warum ndert sich die Diffusionsspannung mit steigender Bandlücken 3.5. Welches sind wichtige Parameter für die Dimensionierung von Leistungshalbleitern. Geben Sie eine Erkl rung der einzelnen Parameter und ihres Einflusses.
