Transistoren für die Leistungselektronik
Die Miniaturisierung elektronischer Schaltungen ist die bekannte Folge der Erfindung des Transistors 1947 durch William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain bei den Bell-Telephone-Laboratorien in Murray Hill (New Jersey). Nur wenige Jahre später gelang die Integration mehrerer dieser Bauelemente in einem einzigen Siliciumplättchen. Inzwischen sind solche integrierten Schaltkreise eben noch fingernagelgroß und enthalten mehrere Millionen Transistoren, von denen jeder wenige Mikrometer (tausendstel Millimeter) klein ist und lediglich ein millionstel Watt an Leistung aufnimmt.
Weniger bekannt ist, daß auch Transistoren für immer höhere elektrische Leistungen entwickelt werden. Erst vor wenigen Jahren gelang in diesem Bereich der Halbleiterbranche mit dem insulated gate bipolar transistor (IGBT) ein Durchbruch. Diese briefmarkengroßen Bauelemente lassen sich so miteinander verbinden, daß Ströme bis zu 1000 Ampere bei Spannungen bis zu mehreren tausend Volt außerordentlich schnell geschaltet werden können.
Man nutzt sie bereits zur Ansteuerung insbesondere elektrischer Antriebe (Bild 1). Das ist eine Anwendung, für die IGBTs künftig in großen Stückzahlen benötigt werden, denn
- in Produktionsanlagen laufen viele motorgetriebene Maschinen, und zunehmend werden Roboter eingesetzt;
- in einem durchschnittlichen Privathaushalt der Industrieländer werden mehr als 40 Elektromotoren betrieben, beispielsweise in Mixern, Waschmaschinen, Trocknern und Kompressoren von Kühlschränken sowie in Heimwerkzeugen und Geräten wie Rasenmähern;
- elektrische Straßenbahnen und Eisenbahn-Triebwagen benötigen Motor-steuerungen, beispielsweise arbeiten IGBTs im japanischen Hochgeschwindigkeitszug "Shinkansen";
- in fast allen neuerdings entwickelten Elektroautos nutzt man diese Transistoren ebenfalls.
Geschwindigkeit und Leistung von Wechselstrommotoren stellt man meist durch Frequenz und Amplitude eines durch ihre Spulen fließenden sinusförmigen Stromes ein; der Anker dreht sich dann mit dessen Frequenz. Solche Ströme lassen sich sehr präzise durch schnelles Schalten von Spannungspulsen definierter Dauer und Amplitude erzeugen – die Induktivität des Motors macht daraus einen kontinuierlichen Strom (die beim Abschalten des Ladungsflusses induzierten unerwünschten Gegenspannungen kann man auf diese Weise sehr genau kontrollieren). Da IGBTs besonders schnell ein- und ausschalten können, bewirken sie recht glatte sinusförmige Ströme. Das ist vorteilhaft, denn Abweichungen vom glatten Verlauf entsprechen der Grundschwingung überlagerten Oberwellen, deren Schwingungszahl ein Vielfaches der Steuerfrequenz beträgt; sie verschwenden eingespeiste Energie und können dem Motor oder anderen Bauelementen schaden.
Vor dem Aufkommen von Leistungstransistoren ließ man beispielsweise Motoren in Anlagen zur Heizung oder Lüftung beziehungsweise Klimatisierung zumeist mit konstanter Geschwindigkeit laufen, dafür je nach der momentanen Temperatur und anderen Variablen unterschiedlich lange. Energetisch günstiger ist es, eine Klimaanlage andauernd – jedoch, falls erforderlich, mit stark reduzierter Leistung – zu betreiben. Mit IGBT-Drehzahlsteuerungen sollten sich mithin nach Expertenmeinung in einem Industrieland täglich viele Millionen Tonnen Öl sparen lassen, die der Strombedarf in diesem Bereich der Gebäudetechnik sonst erforderte; in Japan wird das bereits weithin genutzt.
Die hohe Schaltgeschwindigkeit ermöglicht auch, Frequenzen der Steuerströme zu erzeugen, die oberhalb des menschlichen Hörbereichs liegen. Das störende Brummen vieler Kompressoren etwa von Klimaanlagen oder Kühlschränken rührt von langsameren Schaltelementen her.
IGBTs können aber weit mehr, als Elektromotoren steuern. Insgesamt regelt Leistungselektronik – darunter solche mit den neuen Transistoren – etwa 50 bis 60 Prozent der in den Industrieländern erzeugten Elektrizität. IGBTs werden überdies etwa auch bei Laptop-Monitoren zum Ein- und Ausschalten von Bildelementen verwendet; sie steuern Signalwege in Telephonanlagen, regeln den Strom durch Gasentladungslampen und vieles mehr.
Integration von Leistungs- und Mikroelektronik
Diese Halbleiterelemente schalten beispielsweise mit einem Steuerstrom von wenigen tausendstel Ampere einen Laststrom von 100 Ampere bei einer Spannung von 1500 Volt (Bild 3). Sie lassen sich deshalb zusammen mit den Schaltkreisen, die das Ansteuern der Leistungstransistoren durch Mikroprozessoren ermöglichen, auf einem Halbleiterchip unterbringen.
IGBTs werden vor allem im mittleren Leistungsbereich eingesetzt, also für Anwendungen wie tragbare Computer, Telekommunikationsgeräte und Leuchtstoffröhren, die bei 200 bis maximal 500 Volt und weniger als 10 Ampere funktionsfähig sein müssen. Aber auch zur Steuerung der Motoren von Industrierobotern hat der US-Automobilkonzern General Motors sie bereits verwendet, weil das programmierte Bewegunsrepertoire damit besonders genau eingehalten wird. Sogar in der Hochspannungselektronik, also etwa für Elektrolokmotoren oder Umspannwerke, dürften Leistungstransistoren den bisher üblichen Thyristoren bald Konkurrenz machen; japanische Unternehmen fertigen sie bereits für 3500 Volt Betriebsspannung und Ströme von 1000 Ampere.
In ihrem Aufbau vereinen IGBTs zwei bewährte Bauprinzipien der Halbleitertechnik: den Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOS-FET) und den Bipolartransistor. Letzterer ist einfach und robust, läßt sich für hohe elektrische Leistungen auslegen und außerordentlich schnell ein- und ausschalten. Allerdings erfordert er einen recht hohen Steuer-strom; sein Verstärkereffekt ist somit gering. MOS-FETs hingegen eignen sich nicht für Spannungen von mehr als 500 Volt, ermöglichen jedoch hohe Verstärkung; man verwendet sie deshalb bis rund 100 Volt etwa in der Automobilelektronik oder für Netzteile von Personalcomputern und Stereoanlagen. Cleveres Design nutzt deshalb die Vorzüge beider Systeme.
Bipolartransistoren für hohe Leistung
Transistoren können elektrischen Strom je nach Auslegung verstärken oder schalten. Sie haben meist drei Anschlüsse (Bild 2). Der vom anhängenden Verbraucher genutzte Laststrom fließt beim bipolaren Typ zwischen Emitter und Kollektor. Der deutlich schwächere Steuerstrom, der ihn ein- und ausschaltet, fließt hingegen zwischen Basis und Emitter.
Diese drei Bereiche bestehen aus einem gezielt verunreinigten Halbleitermaterial, zumeist aus Silicium. Erhält es durch die Dotierung einen Überschuß an beweglichen Elektronen, spricht man vom n-Typ (weil Elektronen negative Ladung tragen). Entstehen hingegen (positive) Elektronenfehlstellen, Löcher genannt, bezeichnet man den Halbleiter als p-Typ. Ein bipolarer Transistor besteht aus Material der Schichtenfolge n-p-n oder p-n-p; weil Elektronen leichter beweglich sind als Löcher, nutzt man meist die erste Variante.
Legt man eine positive Spannung an ein n- und eine negative an ein p-Gebiet, so werden Elektronen aus dem ersten, Löcher aus dem zweiten herausgezogen, und es entsteht eine an Ladungsträgern verarmte Zone. Legt man nun an einen solchen n-p-n-Transistor einen Laststrom, blockiert diese Sperrschicht den Durchfluß. Ein Steuerstrom läßt aber Löcher von der p-Basis in den n-Emitter und Elektronen in umgekehrter Richtung fließen. Bei entsprechend dünner Basis werden letztere schneller nachgeliefert, als sie mit den Löchern rekombinieren können, und gelangen so zur Kollektor-Basis-Grenzfläche, also dem in Sperrrichtung gepolten p-n-Übergang. Aufgrund des Elektronenüberschusses erscheint dann die p-dotierte Basis als Halbleitermaterial vom n-Typ; die Sperrschicht wird zerstört, und der Laststrom kann durch das Bauteil fließen. Die Variante p-n-p funktioniert im wesentlichen ebenso, nur sind die Rollen von Elektronen und Löchern vertauscht.
Weil die in der Sperrschicht verbleibenden Dotierungs-Ionen des Kristallgitters eine Raumladungszone aufbauen, die der Sperrspannung entgegenwirkt, fertigt man den Kollektor relativ dick und geringer dotiert. So erhält man Sperrschichten, die Tausenden von Volt widerstehen.
Die Basis hingegen ist so dünn, daß Elektronen gut hindurchdiffundieren können und somit ein geringer Strom im Basis-Emitter-Kreis einen bis zehnmal stärkeren im Kollektor-Emitter-Kreis steuert. Meist ist die am Kollektor anliegende Spannung knapp hundertmal so groß wie die an der Basis, so daß bei Halbleiterelementen dieses Typs im allgemeinen der Faktor der Leistungsverstärkung weniger als 1000 beträgt. Sehr häufig aber sind einige Kilowatt an- oder abzuschalten, mithin muß der Steuerkreis mehrere Watt zur Verfügung stellen. Zum sicheren Betrieb sind zudem zusätzliche Schutzkomponenten erforderlich.
Demgegenüber sperren Thyristoren, die man sich aus zwei Bipolartransistoren zusammengesetzt vorstellen kann (was sie tatsächlich nicht sind), bis zu 6000 Volt und leiten im Durchlaßzustand bis zu 1000 Ampere. Ein einziges derartiges Halbleiterelement – ein Chip von zehn Zentimetern Durchmesser – kann also eine Leistung von sechs Megawatt schalten. Indes liegt der Faktor der Stromverstärkung bei diesen Bauelementen unter fünf. Sie erfordern also einen starken Steuerstrom und komplexe, unhandliche und schwere Steuerkreise; deshalb sind diese Bauteile für zahlreiche Anwendungen, etwa in Kraftfahrzeugen, nicht geeignet. Zudem schalten Thyristoren so langsam, daß die Betriebsfrequenz eines damit ausgestatteten Systems und damit dessen Vibrationen im Bereich des menschlichen Hörvermögens liegen.
Der MOS-FET
Die zweite Komponente des IGBT arbeitet nach einem anderen Prinzip: Ein n-p-n-MOS-FET (richtig wäre die Bezeichnung n-Kanal-MOS-FET) hat zwei n-Typ-Zonen, Quelle und Senke (source und drain), und dazwischen eine p-Region, das Substrat (Bild 2). Darauf befindet sich eine elektrisch isolierende Schicht Siliciumdioxid und auf dieser die gate-Elektrode aus einem Metall oder einem anderen leitfähigen Material (nach dieser Schichtenfolge wird der Transistor mit MOS für metal oxide semiconductor bezeichnet).
Normalerweise fließt keine Ladung von der Quelle durch das Substrat zur zweiten n-Zone, der Senke, denn unabhängig vom Vorzeichen einer zwischen beiden angelegten Spannung sperrt stets einer der p-n-Übergänge. Legt man nun aber am Gate eine positive Spannung an, entsteht ein elektrisches Feld, das durch die Oxidschicht in das Substrat eindringt. Unter seinem Einfluß werden die Löcher des p-Substrats in das Volumen zurückgedrängt und gleichzeitig die dort ebenfalls vorhandenen Elektronen angezogen – daher die Bezeichnung Feld-effekttransistor (FET). In dem so erzeugten n-Kanal stehen nun Elektronen für einen Strom zwischen Quelle und Senke zur Verfügung.
Ein MOS-FET wird also nicht mit Strom, sondern mittels einer Spannung auf Durchlaß eingestellt. Nur beim Schaltvorgang selbst fließen kurzzeitig Milliampere-Ströme, weil Halbleitersubstrat, Oxidschicht und Elektrode einen Kondensator bilden, der dann geladen oder entladen wird.
Dieser Transistortyp entstand bei der Entwicklung von Fertigungsverfahren für hochintegrierte Schaltungen der Mikroelektronik Anfang der siebziger Jahre. Als erstes brachte das Unternehmen International Rectifier Corporation in El Segundo (Kalifornien) Leistungs-MOS-FETs auf den Markt. Sie verstärkten elektrische Leistungen besser als die damals üblichen Bipolartransistoren, schalteten schneller und erforderten keine umständlichen Schutzschaltkreise. Ein Problem aber war, daß ihr elektrischer Widerstand oberhalb einer Sperrfähigkeit von 100 Volt rapide schnell ansteigt, was den Laststrom begrenzt.
Synthese der Vorzüge
Ende der siebziger Jahre entwickelte ich im Forschungslabor von General Electric in Schenectady (New York) das Konzept des IGBT: Indem ein MOS-FET einen Bipolartransistor steuert, lassen sich mit sehr kleinen Spannungen viele hundert Ampere starke Ströme schalten (Bild 2).
Meine erste Entwicklung 1978 war allerdings ein MOS-Gate-Thyristor. Dieses Bauelement, Grundlage eines noch erhältlichen Produkts, kann einen Stromimpuls von einem Kondensator an eine Gasentladungsröhre, wie sie in der Photolithographie verwendet wird, weitergeben. In vielen Hochleistungsanwendungen genutzte Thyristor-Typen hofft man eines Tages durch Weiterentwicklungen dieser Bauelemente zu ersetzen.
Im Gegensatz zum Thyristor besteht ein IGBT aus der Kombination eines p-n-p-Bipolartransistors mit einem n-Kanal-MOS-FET, wobei dessen an sich schon relativ hoher Laststrom den ersteren steuert. Bei dieser speziellen Anordnung ist es nicht erforderlich, den Bipolartransistor auf besonders hohe Stromverstärkung auszulegen, so daß zur einfacheren Herstellung und zur Optimierung des Gesamtelements die p-n-p-Struktur geeigneter ist. Die Basis braucht dann nämlich nicht extrem dünn und hoch dotiert zu sein. Sie wird verantwortlich für die Sperrfähigkeit des IGBTs. Sein Laststrom ist die Summe der Lastströme beider Komponenten.
Die Bauweise hat eine Reihe von Vorteilen:
- Bei Stromimpulsen von wenigen Milliampere im MOS-FET und einer Steuerspannung von etwa 10 Volt schaltet ein IGBT 100 Ampere bei 1500 Volt, also mehr als zehnmillionenfach höhere Leistungen.
- Dementsprechend sind nur relativ kleine Steuerschaltkreise erforderlich, und Schutzschaltungen gegen Ausfälle bei kritischen Betriebstemperaturen, Strommengen oder Spannungen lassen sich darin integrieren.
- Die Betriebsstromdichte im Durchlaßzustand ist die Summe aus dem Emitter-Kollektor-Strom des Bipolartransistors und dem Kanalstrom des MOS-FETs. Beide sind etwa gleich; der Ausgangsstrom des IGBT ist also etwa doppelt so groß wie der jeder seiner Komponenten.
- Im Durchlaßzustand werden von Emitter und Kollektor so viele Elektronen und Löcher in die breite, schwach dotierte Basisregion des Bipolartransistors injiziert, daß dort die Leitfähigkeit um das Tausendfache ansteigt. Dementsprechend sind Leistungsverluste sehr gering, was wiederum eine dichtere Packung der Chips ermöglicht und die Herstellungskosten reduziert.
Die Hauptschwierigkeit bei der Markteinführung war, daß bei dieser Bauweise auch ein sogenannter parasitärer Thyristor entsteht: Beim Überlagern von vier Halbleiterschichten, abwechselnd vom p- und vom n-Typ, bilden sich gleichsam zwei Bipolartransistoren (n-p-n und p-n-p) mit einer gemeinsamen Kollektorfläche. Die dadurch mögliche Rückkopplung konnte das Bauteil zerstören. Dieses Problem wurde durch mehrere strukturelle Verbesserungen, darunter eine zusätzliche, stark dotierte p-Zone unter der n-Typ-Quelle des MOS-FETs, gelöst.
IGBTs werden mittlerweile in fast allen Bereichen der Leistungselektronik verwendet. Kompakte Aggregate und geringes Gewicht sowie höhere Schaltfrequenzen machen sie insbesondere für Verkehrsmittel interessant. In japanischen Zügen und Nahverkehrsbahnen sorgen sie bereits für gleichmäßigere und geräuschärmere Fahrt; in Europa arbeiten insbesondere ABB und Siemens an vergleichbaren Systemen.
In Elektro- und Hybridautomobilen wirken diese Bauelemente in Umrichtern, die aus dem Gleichstrom der Batterie Wechselstrom für den Motor machen. IGBTs werden auch beim Wiederaufladen zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom verwendet; dieser Vorgang muß sehr präzise geregelt werden, damit die Batterie-Elektroden nicht Schaden nehmen.
Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 1998, Seite 83
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
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