3.6 Transiente thermische Simulation  

Die transiente thermische Simulation erweitert das Gebiet der thermischen Simulation um einen wesentlichen Bereich. Moderne Leistungshalbleiter sind in der Lage, immer höhere Ströme bei höheren Spannungen in kürzerer Zeit einzuschalten. Bauteile der sogenannten ,,Smart Power Technology (SPT)`` sind integrierte, in CMOS Technologie gefertigte Bauteile, wo sehr viele parallel geschaltete Transistoren zusammen enorme Schaltleistungen ermöglichen [65]. Die SPT-Technologie ist durch ihre Flexibilität ein wesentlicher Bestandteil in der modernen Automobilindustrie, wo im Bereich hoher Temperaturen hohe Schaltströme auftreten. Die dabei auftretenden Schaltfrequenzen liegen im Bereich von bis zu 100kHz.

Grundsätzlich sollten Leistungshalbleiter, die hohe Ströme einschalten, folgende Merkmale aufweisen.

• Die Bauteile sollten eine hohe Sperrfestigkeit aufweisen, um hohe Sperrspannungen zu ermöglichen. Voraussetzung dafür sind relativ niedrig dotierte Gebiete, um Durchbruch- und Tunnelströme zu vermeiden. Durch die niedrige Dotierung ist jedoch die Leitfähigkeit im eingeschalteten Zustand gering, was zu Verlustleistungen und damit zur Selbsterwärmung des Bauteils führt.
• Die Bauteile sollten kurze Ausschaltzeiten aufweisen. Um das zu erreichen, müssen die mit Ladungsträger überschwemmten Driftgebiete möglichst schnell ausgeräumt werden. Mit Ladungsträgern überschwemmte Driftgebiete sind bei niedrigen Temperaturen durchaus erwünscht, damit die Leitfähigkeit des Bauteils zunimmt. Um diese Ladungsträger nach dem Ausschalten möglichst schnell abzubauen, dotiert man den Halbleiter mit Stoffen, die energetisch in Bandmitte liegen und dort Rekombinationszentren bilden. Bei hohen Temperaturen wird diese Leitfähigkeit jedoch durch die geringere Beweglichkeit reduziert, was zu Verzögerungen beim Ausräumen der Ladungsträger führt. Bei höheren Temperaturen sind überschwemmte Driftgebiete jedoch zwangsläufig gegeben, da die Eigenleitung stark erhöht ist. So nimmt die intrinsische Trägerkonzentration um über 4 Größenordnungen zu, wenn die Umgebungstemperatur von 300K auf 500K steigt.
• Die Bauteile sollten einen geringen Einschaltwiderstand aufweisen. Diese Forderung steht jedoch im Widerspruch zu den beiden letzten Punkten, wo geringe Ladungsträgerkonzentrationen in relativ großen Driftgebieten gefordert sind.

Die einzige Möglichkeit einer Verbesserung in allen drei Punkten, ist eine Reduktion der Bauteiltemperatur. Im transienten Fall ist dabei das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeiten von Bedeutung sowie die Periodendauer des Schaltvorganges. Wichtig dabei ist, inwieweit die Wärmekapazität des Leistungsbauteils die Verlustleistung während des Einschaltvorganges aufnehmen kann. Je höher die Wärmekapazität, umso mehr Verlustleistung kann aufgenommen werden, damit sich der Bauteil nicht zu stark erwärmt.