Submitted by Vinicíus Jessé Rodrigues de Oliveira null (vinijro@gmail.com) on 2018-03-20T20:23:10Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO FINAL JESSE 2018.pdf: 6372777 bytes, checksum: 1bb0391cd590635dcecd1727ee43665e (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Marlene Zaniboni null (zaniboni@bauru.unesp.br) on 2018-03-21T17:01:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 oliveira_vjr_me_bauru.pdf: 6372777 bytes, checksum: 1bb0391cd590635dcecd1727ee43665e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-21T17:01:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 oliveira_vjr_me_bauru.pdf: 6372777 bytes, checksum: 1bb0391cd590635dcecd1727ee43665e (MD5) Previous issue date: 2018-02-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Os polímeros conjugados aplicados como camada ativa, em dispositivos optoeletrônicos têm alto potencial tecnológico e tem sido amplamente estudados nas últimas décadas. Estes materiais podem ser processados na forma de filmes finos e dependendo da técnica utilizada pode-se obter filmes organizados e altamente reprodutíveis. Uma das técnicas de deposição que pode proporcionar estas propriedades é a de Langmuir Blodgett (LB) e Langmuir Schaefer (LS). Este trabalho de mestrado teve como objetivo fabricar e caracterizar materiais/filmes com capacidade para aplicação em dispositivos fotovoltaicos Os materiais caracterizados, com este objetivo, foram polímeros de baixo valor de band gap:poli[(4,4-bis(2-etilhexil)-ciclopenta-[2,1-b:3,4-b’]ditiofeno)2,6-diil-alt-(2,1,3-benzotiadiazol)-4,7-diil], PCPDTBT e poli[(4,4’-dioctilditieno[3,2-b:2’,3’d]silol-2,6-diil)-alt-(2,1,3-benzotiadiazol)-4,7-diil)], PDTSBT. Para a fabricação dos filmes ultrafinos foi realizado um estudo de isotermas de pressão superficial por área do monómero (π-A) em uma cuba de Langmuir. As técnicas de LB e LS permitiram o processamento molecular dos materiais através das informações obtidas das isotermas (π-A). As caracterizações ópticas (UV-Vis) foram realizadas para análise de crescimento e da organização das camadas dos filmes finos. Para as medidas elétricas foi utilizado uma fonte de corrente continua para se obter a condutividade e fotocondutividade elétrica dos filmes depositados por LB e LS sobre eletrodos interdigitados. Os filmes fabricados foram utilizados como camadas ativas dos dispositivos fotovoltaicos em uma heterojunção planar, com estrutura basicamente formada por ITO/Polímero/PCBM/Alumínio. Foram realizadas medidas de densidade de corrente versus tensão (J vs V) sob iluminação de um Simulador Solar para o cálculo de eficiência da célula. / The conjugated polymers applied as active layer in optoelectronic devices, have high technological potential and have been widely studied in recent decades. These materials can be processed in the form of thin films, and depending on the technique used one can obtain organized and highly reproducible films. One of the deposition techniques that can provide these properties is Langmuir Blodgett (LB) and Langmuir Schaefer (LS). This master 's work was designed to manufacture and characterize materials / films with potential for application in photovoltaic devices. The materials characterized for this purpose, were low bandgap value polymers: poly [(4,4-bis (2-ethylhexyl) cyclopenta- [2,1-b: 3,4-b '] dithiophene) 2,6-diyl-al- (2,1,3-benzothiadiazole) - 4,7-diyl] PCPDTBT and poly [(4,4'-dioctyldithieno [3,2-b: 2 ', 3'd] silol-2,6-diyl) -alt- (2,1,3-benzothiadiazol) -4,7- ] PDTSBT. For the production of ultrafine films, a study of surface pressure isotherms by area of the monomer (π-A) in a Langmuir trough was performed. The LB and LS techniques allowed the molecular processing of the materials through the information obtained from the isotherms (π-A). The optical characterizations (UV-Vis) were performed for analysis of the growth and organization of thin film layers. For the electrical measurements, a DC current source was used to obtain the electrical conductivity and photoconductivity of the films deposited by LB and LS on interdigitated electrodes. The films manufactured were used as active layers of the photovoltaic devices in a planar heterojunction, with structure basically formed by ITO / Polymer / PCBM / Aluminum. Measurements of current versus voltage density (J vs V) were performed under illumination of a Solar Simulator to calculate cell efficiency. / 1578726

Wir untersuchen die Phasenbildung von Festkörperlösungen von (InxGa1-x)2O3 experimentell mittels Transmissionselektronenmikroskopie und stützen uns bei der Modellierung auf die Clusterexpansion. Epitaktische (InxGa1-x)2O3 Schichten auf kristallinen Substrate sind durch ausgeprägte Ordnung auf den Kationenuntergittern gekennzeichnet, bei welchem In und Ga sich auf Gitterplätze einbauen auf denen sie die energetisch günstigste Koordination zum Sauerstoff einnehmen. Ausgehend von diesem Befund, modifizieren wir das Modells der idealen Mischung so dass wir die Konfigurationsentropie auf den kationischen Untergittern mit spezifischer Koordinations getrennt betrachten um diese realistisch zu berechnen. Das resultierende Phasendiagramm ist durch enge thermodynamisch Stabilitätsbereiche für die jeweiligen Phasen gekennzeichnet, weil sich gleichzeitig große metastabile Zusammensetzungsbereiche ergeben bei Temperaturen die typisch für epitaktisches Wachstum sind: so ist die monokline Phase im Zusammensetzungsbereich x<0.5 metastabil, die hexagonale Phase für 0.55<x<0.7 und die kubische Bixbyit-Phase für x>0.91. Wird amorphes (InxGa1-x)2O3 kristallisiert in-situ im TEM, bildet sich im Zusammensetzungbereich bis x<0.22 die Spinellphase, die als ungeordnete Variante der monoklinen Phase beschrieben wird. Oberhalb dieser Zusammensetzung ist die kubische Phase stabil. Ursache hierfür ist der Einfluss der maximale Menge an Konfiguartionsentropie auf die Bildungsenthalpie in Strukturen mit vielfältigem Koordinationsumgebungen der Kationen. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit dem Einflusses der Gitterordnung auf den Materialkontrast bei der Abbildung mittels HAADF (High Angle Annular Dark Field) STEM. Hier wird gezeigt, dass die Anregung des 2s-Bloch-Wellen-Zustands zu langperiodsichen Kontrastoszillationen führt, die die quantitaive Bestimmung der Zusammensetzung mittels Z-Kontrast erschwert es aber erlaubt den Ordnungsparameter bei bekaannter Zusammensetzung zu messen. / We investigate the phase formation in (InxGa1-x)2O3 solid solutions experimentally by means of transmission electron microscopy (TEM) and with computational support using cluster expansion. In the case of epitaxial growth on crystalline substrates, we find strong ordering on the cation sublattices of (InxGa1-x)2O3, energetically driven by the tendency of In and Ga to each assume their preferred coordination environment. Based on this experimental finding, we modify the model of the ideal mixture by considering the configurational entropy on the respective cation sublattices with different coordination separately in order to calculate it realistically. The resulting phase diagram is characterized by narrow thermodynamically stable ranges for each phase, while wide composition ranges of metastable compounds are predicted, which can be achieved at temperatures typical for epitaxy: the monoclinic phase is metastable in the composition range x<0.5, the hexagonal phase for 0.55<x<0.7, and the cubic bixbyite phase for x>0.91. If amorphous (InxGa1-x)2O3 is crystallized in-situ in the TEM, the spinel phase, which is described as a disordered variant of the monoclinic phase, is formed in the composition range up to x<0.22, while above this composition, the bixbyite phase is stable. This shift in stability is explained by the maximum amount of configurational entropy present during crystallization, which strongly influences the formation enthalpy in structures with diverse coordination environments of the cations. The last part of the work deals with the influence of the lattice order on the material contrast when imaging by HAADF (High Angle Annular Dark Field) STEM. It is shown that the excitation of the 2s-Bloch wave state leads to long-period contrast oscillations, which complicate the quantitative determination of the composition by Z-contrast but allows to quantify the order parameter for a given composition.

Les cellules solaires polymériques attirent un grand intérêt dans ce domaine de recherche, en raison du faible coût, du procédé de fabrication de grandes surfaces, des matériaux de manutention légers et de la possibilité de leur fabrication par diverses techniques. Pour une bonne efficacité des dispositifs photovoltaïques, la couche active doit contenir une bonne absorption de la lumière du soleil. En termes de bandgap,cela signifie que plus le bandgap est petit, plus le flux de photons absorbés est grand. Une manière d'accomplir ceci avec les matériaux polymères est la synthèse d'un copolymère alterné dans lequel le bandgap optique est diminué, ce que l'on appelle des polymères low-bandgap. L'organisation joue un rôle important dans la performance des dispositifs, y compris les dispositifs photovoltaïques, et la technique Langmuir-Schaefer (LS) permet de fabriquer des films nanostructurés avec contrôle de l'épaisseur, qui peuvent servir de base pour construire de meilleurs dispositifs. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail était de synthétiser des polymères low-bandgap et ensuite de fabriquer et caractériser des films LS de ces polymères et leurs mélanges avec un dérivé de fullerène, le PCBM, pour leur application en tant que couche active de cellules solaires. Les films LS des polymères et leurs mélanges avec PCBM ont été fabriqués et des mesures de caractérisation ont été effectuées. Ces films ont été caractérisés par des mesures électriques (courant vs tension, spectroscopie d'impédance et voltampérométrie cyclique), morphologiques (microscopie à force atomique) et optiques (UV-visible, diffusion Raman et transmission infrarouge). Par les films de Langmuir et les mesures morphologiques, il a été possible d'observer les caractéristiques spécifiques concernant la conformation de chaque polymère sous forme de film. Des mesures optiques confirment l'absorption aux longueurs d'onde élevées attendues pour ces polymères. Dans les mesures électriques, les résultats ont montré des conductivités différentes pour les mêmes matériaux lorsque les types d'électrodes ont été changés. Les dispositifs photovoltaïques des films LS fabriqués n'ont pas atteint de bonnes valeurs d'efficacité. Les films spin-coating de ces polymères testés en tant que couche active des dispositifs, sous atmosphère contrôlée, ont montré unefficacité allant jusqu'à 0,6%. / Polymeric solar cells attract great interest in this area of research due to the potential low cost, large area fabrication process, light weight physical feature and the possibility of fabricating these cells by several techniques. To achieve good efficiency in the photovoltaic devices the active layer must have an efficient absorption of sunlight. In terms of bandgap, this means that the smaller the bandgap the greater the flux of photons absorbed. One way to accomplish this, with the polymeric materials, is the synthesis of a polymer in which the optical bandgap has the ability to increase the capture of sunlight, the so-called low-bandgap polymers. The organization plays an important role in the performance of devices, including in photovoltaic devices, and the Langmuir-Schaefer (LS) technique provides the ability to manufacture nanostructured films with thickness control, which can serve as a basis for building better devices. In this context, the aim of this work was to synthesize low-bandgap polymers for later manufacturing and characterization of LS films of these polymers and their blends with a fullerene derivative, PCBM, and test them as active layer of solar cells. LS films of such polymers and their blends with PCBM were made and characterization measurements were performed. These films were characterized by electrical (current vs. voltage, impedance spectroscopy and cyclic voltammetry), morphology (atomic force microscopy) and optical (ultraviolet-visible, Raman scattering and infrared) measurements. Through the Langmuir films and the morphological measurements, it was possible to observe the specific characteristics of how it is the conformation of each polymer in film form. Optical measurements confirmed the absorption at high wavelengths expected for these polymers. In the electrical measurements the results showed different conductivities for the same materials when the types of electrodes were changed. The photovoltaic devices manufactured from LS technique have not reached good efficiency values. When spin-coated active layers were teste as OPV devices in a controlled atmosphere the efficiency achieved up to 0.6%. / Células solares poliméricas atraem grande interesse nessa área de pesquisa, devido ao baixo custo, processo de fabricação de grandes áreas, materiais de manuseio leves e a possibilidade de sua fabricação por diversas técnicas. Para uma boa eficiência dos dispositivos fotovoltaicos, a camada ativa deve conter uma boa absorção da luz solar. Em termos de bandgap, isto quer dizer que quanto menor o bandgap maior o fluxo de fótons absorvidos. Uma maneira de realizar isto com os materiais poliméricos é a síntese de um polímero no qual o bandgap óptico tem a capacidade de aumentar a captura da luz solar, os chamados polímeros low-bandgap. A organização possui um papel importante na performance de dispositivos, inclusive dos fotovoltaicos, e a técnica Langmuir-Schaefer (LS) proporciona a capacidade de fabricar filmes nanoestruturados e com controle de espessura, podendoservir de base para construção de melhores dispositivos. Dentro deste contexto, o objetivo deste trabalho foi sintetizar polímeros low-bandgap e, posteriormente fabricar e caracterizar filmes LS destes polímeros e de suas blendas com um derivado de fulereno, o PCBM, para a aplicação dos mesmos como camada ativa de células solares. Foram fabricados filmes LS dos polímeros e de suas misturas com PCBM e realizadas medidas de caracterização. Estes filmes foram caracterizados por meio de medidas elétricas (corrente vs. Tensão, espectroscopia de impedância e voltametria cíclica), morfológica (microscopia de força atômica) e óptica (Ultravioleta-Visível, Espalhamento Raman e transmissão no infravermelho). Com os filmes de Langmuir e as medidas morfológicas foi possível observar as características específicas de como é a conformação de cada polímero na forma de filme. As medidas ópticas confirmam a absorção em altos comprimentos de onda esperados para estes polímeros. Nas medidas elétricas os resultados mostraram diferentes condutividades para os mesmos materiais quando mudado os tipos de eletrodos. Os dispositivos fotovoltaicos dos filmes LS fabricados não alcançaram bons valores de eficiência. Filmes spin-coating destes polímeros testados como camada ativa dos dispositivos, em atmosfera controlada, revelaram eficiência de até 0.6%.

An innovative approach for characterization of one dimensional Photonic Band Gap structures comprised of metallic inclusions (i.e. subwavelength dipole elements or resonant ring elements) is presented. Through an efficient S- to T-parameters conversion technique, a detailed analysis has been performed to investigate the variation of the dispersion characteristics of 1-D PBG structures as a function of the cell element configuration. Also, for the first time, the angular sensitivity of the structure has been studied in order to obtain the projected band diagrams for both TE and TM polarizations. Polarization sensitivity of the subwavelength cell element is exploited to propose a novel combination of elements which allows achieving PBGs with simultaneous frequency and polarization selectivity. The proposed approach demonstrates that the dispersion characteristic of each orthogonal polarization can be independently adjusted with dipole elements parallel to that same polarization. Generally, the structure has potential applications in orthomode transducer, and generally whenever the polarization of the incoming signal is to be used as a means of separating it from another signal in the same frequency band that is of orthogonal polarization. The current distribution and the resonance behavior of the ring element is studied and the effect of resonance on dispersion characteristics of 1-D PBGs composed of rings is investigated for the first time, for both individual and coupled rings. Interestingly, it is observed that 1-D PBG composed of resonant elements consistently has a bandgap around the resonant frequency of the single layer structure.

An innovative approach for characterization of one dimensional Photonic Band Gap structures comprised of metallic inclusions (i.e. subwavelength dipole elements or resonant ring elements) is presented. Through an efficient S- to T-parameters conversion technique, a detailed analysis has been performed to investigate the variation of the dispersion characteristics of 1-D PBG structures as a function of the cell element configuration. Also, for the first time, the angular sensitivity of the structure has been studied in order to obtain the projected band diagrams for both TE and TM polarizations. Polarization sensitivity of the subwavelength cell element is exploited to propose a novel combination of elements which allows achieving PBGs with simultaneous frequency and polarization selectivity. The proposed approach demonstrates that the dispersion characteristic of each orthogonal polarization can be independently adjusted with dipole elements parallel to that same polarization. Generally, the structure has potential applications in orthomode transducer, and generally whenever the polarization of the incoming signal is to be used as a means of separating it from another signal in the same frequency band that is of orthogonal polarization. The current distribution and the resonance behavior of the ring element is studied and the effect of resonance on dispersion characteristics of 1-D PBGs composed of rings is investigated for the first time, for both individual and coupled rings. Interestingly, it is observed that 1-D PBG composed of resonant elements consistently has a bandgap around the resonant frequency of the single layer structure.

An innovative approach for characterization of one dimensional Photonic Band Gap structures comprised of metallic inclusions (i.e. subwavelength dipole elements or resonant ring elements) is presented. Through an efficient S- to T-parameters conversion technique, a detailed analysis has been performed to investigate the variation of the dispersion characteristics of 1-D PBG structures as a function of the cell element configuration. Also, for the first time, the angular sensitivity of the structure has been studied in order to obtain the projected band diagrams for both TE and TM polarizations. Polarization sensitivity of the subwavelength cell element is exploited to propose a novel combination of elements which allows achieving PBGs with simultaneous frequency and polarization selectivity. The proposed approach demonstrates that the dispersion characteristic of each orthogonal polarization can be independently adjusted with dipole elements parallel to that same polarization. Generally, the structure has potential applications in orthomode transducer, and generally whenever the polarization of the incoming signal is to be used as a means of separating it from another signal in the same frequency band that is of orthogonal polarization. The current distribution and the resonance behavior of the ring element is studied and the effect of resonance on dispersion characteristics of 1-D PBGs composed of rings is investigated for the first time, for both individual and coupled rings. Interestingly, it is observed that 1-D PBG composed of resonant elements consistently has a bandgap around the resonant frequency of the single layer structure.

Ce travail de thèse porte sur la diffusion des porteurs de charge en excès dans deux semiconducteurs à large bande interdite: l’alliage ZnMgO et le diamant 13C. Il est basé sur l’étude d’hétérostructures ZnMgO/ZnO/ZnMgO et 13C/12C/13C à puits de collecte ZnO ou 12C. Sur leurs sections transverses et avec la résolution nanométrique en excitation par cathodoluminescence (CL), nous avons étudié l’évolution de l’intensité de l’émission issue du puits en ZnO ou 12C en fonction de la distance entre l’impact de l’excitation et le puits. Cela nous a permis de mesurer directement les longueurs de diffusion effectives dans ZnMgO et le diamant.Dans ZnMgO, la valeur de 55 nm à 300 K, mesurée sur section transverse clivée, est proche de celle du matériau massif. Elle correspond à une diffusion mixte excitons/porteurs libres. Avec l’utilisation de lames minces érodées par faisceau d’ions, une diminution de a été observée jusqu’à 8 nm dans les parties les plus fines. Cet effet est attribué aux recombinaisons non radiatives de surface. Les lames minces apparaissent alors d’un grand intérêt pour améliorer la résolution spatiale des images CL.Dans le diamant, la diffusion excitonique à basse température montre une faible dépendance de avec l’énergie incidente des électrons. Cela indique que ≈ 15 µm à 20 K dans le diamant massif 13C. Une diminution de jusqu’à 3,3 µm à 118 K est observée en fonction de la température.Enfin, nous avons mis en évidence la formation de polyexcitons dans le diamant en augmentant la densité des paires électron-trou, soit par la puissance d’excitation, soit par le confinement spatial des excitons dans des puits de diamant 12C de faible épaisseurs. / This work focuses on the determination of the carrier diffusion length in two wide bandgap semiconductors: the ternary alloy ZnMgO and diamond. This determination has been achieved by using of ZnMgO/ZnO/ZnMgO and 13C/12C/13C heterostructures containing ZnO or 12C collecting wells. Their transverse section was scanned by CL spectroscopy with a nanometer scale resolution in excitation. The effective excess carrier diffusion length is deduced from the evolution of the well emission intensity with the distance between the excitation impact and the well.In ZnMgO, the value at 300 K is 55 nm, obtained from a cleaved cross section. It is close to the bulk material diffusion and is attributed to a mixed diffusion of excitons/free carriers. A decrease of down to 8 nm is observed in the thinnest portions of cross sections shaped by focused ion beam (FIB). This effect is attributed to non-radiative surface recombinations. These thin slabs appear of great interest to enhance the spatial resolution of CL images.In diamond, the exciton diffusion at 20 K exhibits a slight dependence on the incident electron energy. This indicates that the exciton diffusion length is around 15 µm in 13C bulk diamond. The values decrease down to 3.3 µm at 118 K.Finally, we highlighted the formation of polyexcitons in diamond by increasing the electron-hole pairs density either by the excitation power, or by the spatial confinement of excitons in thin 12C wells.

Stand der Technik sind IGBTs und Freilaufdioden aus Silizium (Si). Jahrzehntelange Forschung hat zu einer nahezu perfekten Technologie geführt. Jedoch werden die Fortschritte hinsichtlich der Reduzierung von Schalt- und Durchlassverlusten mit jeder neuen Generation von Si-IGBTs immer kleiner. Die anfallende Verlustleistung kann jedoch signifikant mit Leistungshalbleiter-Bauelementen aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) gesenkt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, ob und inwieweit mit diskreten SiC-Bipolartransistoren im TO-247- und SiC-Schottky-Dioden im TO-220-Gehäuse der Wirkungsgrad eines Antriebsstromrichters gesteigert werden kann. Ein Exkurs in die Siliziumkarbid-Halbleitertechnologie am Anfang soll deren Vorteile in Hinblick auf verlustärmere Leistungselektronik aufzeigen. Die Vorteile des Halbleitermaterials Siliziumkarbid werden anhand des SiC-Bipolartransistors im Vergleich zum ersten Leistungstransistor - dem Bipolartransistor aus Silizium - herausgearbeitet. Beim SiC-Bipolartransistor muss im laststromführenden Zustand ein Steuerstrom in die Basis eingeprägt werden. Damit erhöht sich der Treiberaufwand. Deshalb wird der erste Themenschwerpunkt auf den Treiber gelegt. In dieser Arbeit wurden ein einfacher und ein komplexer Treiber aufgebaut und evaluiert. Mit leichten Modifikationen wurden mit dem komplexeren Treiber auch IGBTs und SiC-MOSFETs für Vergleichsmessungen angesteuert. Ein neuer Ansatz zur Reduzierung der Treiberverlustleistung im Wechselrichter mit SiC-Bipolar-Transistoren wird vorgestellt. Er setzt beim Kommutierungsalgorithmus des Wechselrichters an. Ein wesentlicher Teil der Arbeit widmet sich der Charakterisierung des SiC-Bipolartransistors, insbesondere dem Schaltverhalten. Ein- und Ausschaltwärmen für verschiedene Arbeitspunkte werden ermittelt. Am Ende der Arbeit werden experimentelle Untersuchungen an einem SiC-Wechselrichter durchgeführt. Abschließend werden die Potenziale, die mit dem Einsatz von SiC-Bipolartransistoren verbunden sind, bewertet aber auch die Grenzen aufgezeigt.:1 Einleitung 1 2 Aufbau des SiC-Bipolartransistors 2.1 Siliziumkarbid (SiC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Eigenschaften von monokristallinem Siliziumkarbid . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Herstellung des SiC-Wafers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3 Herstellung des SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.4 Defekte im Siliziumkarbidkristall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Halbleiterphysikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1 Gesperrter pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.2 Stromführender pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 Bipolartransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 Aufbau und Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Sperrfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.3 Erster und zweiter Durchbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.4 Stromverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.5 Ladungsträgermodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.6 Eindimensionaler spezifischer Widerstand der Driftzone . . . . . . . . 30 3 Ansteuerung des SiC-Bipolartransistors 3.1 Einführung Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Herausforderungen beim Ansteuern von SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . 34 3.3 Treiberkonzepte für SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.4 Konventioneller Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.5 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.6 Treiber für SiC-MOSFET und IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4 Reduzierung der Treiberverluste durch Einschrittkommutierung 4.1 Einschrittkommutierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2 Stromvorzeichenerkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.3 Berechnung der Verlustleistungen für den eingeschalteten Zustand des SiC- Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.4 Messung der Treiberverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5 Charakterisierung des SiC-Bipolartransistors 5.1 Messaufbau für Untersuchung des Ein- und Ausschaltverhaltens . . . . . . . . 55 5.2 Doppelpulsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.3 Definition der Schaltzeiten und Schaltverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . 57 5.4 Messung der Schaltwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.4.1 Spannungstastköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.4.2 Stromsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.4.3 Zeitliche Verschiebung der Messsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.4.4 Vergleich von konventionellem und 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . 65 5.4.5 Vergleich bei unterschiedlicher Treiberspannung . . . . . . . . . . . . 66 5.4.6 Vergleich bei halb und voll bestückter Halbbrücke . . . . . . . . . . . . 68 5.4.7 Vergleich von SiC-Bipolartransistor mit SiC-MOSFET und Si-IGBT . . 69 5.4.8 Reduzierung der Spannungsspitze beim Ausschalten . . . . . . . . . . 74 5.5 Simulation des Schaltverhaltens eines SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . 79 5.5.1 Schaltverhalten bei Ansteuerung mit unipolarem Treiber . . . . . . . . 79 5.5.2 Simulation des Einfluss der Emitter-Induktivität auf Schaltwärme . . . 81 5.5.3 Vergleich von Simulation und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.6 Durchlassverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6 Einsatz von SiC-Bipolartransistoren im Wechselrichter 6.1 Aufbau der Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.2 Inbetriebnahme des Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.3 Überspannungen an den Motorklemmen der 1 kW-Asynchronmaschine . . . . 91 6.4 Umbau des SiC-Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.5 Spannungsspitzen in der Ansteuerspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.6 Halbbrückenverluste im Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7 Zusammenfassung und Fazit 101 Literaturverzeichnis 104 A Anhang A.1 Netzliste für SiC-Bipolartransistor FSICBH057A120 . . . . . . . . . . . . . . 113 A.2 Leiterplatten für Doppelpuls-Test und SiC-Wechselrichter . . . . . . . . . . . . 114 A.3 Herleitung des Feldverlaufs in der Driftzone des gesperrten pn-Übergangs . . . 116 A.4 Herleitung des Emitterwirkungsgrads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 A.5 Herleitung des spezifischen Widerstands der Driftzone . . . . . . . . . . . . . 121 A.6 Lebenslauf von Henry Barth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A.6.1 Persönliche Angaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A.6.2 Wissenschaftlicher Werdegang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 / State-of-the-art are IGBTs and free-wheeling diodes made of silicon (Si). Decades of research have led to an almost perfect technology. Nevertheless, progress in terms of reduction of switching and forward conducting losses becomes smaller and smaller with each new generation of Si IGBTs. The resulting power dissipation, however, can be significantly reduced with power semiconductor devices made of silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN). The objective of this work is to investigate whether and to what extent discrete SiC bipolar junction transistors (BJT) in TO-247 and SiC Schottky diodes in TO-220 packages can be used to increase the efficiency of a power drive inverter. At the beginning, a digression into silicon carbide semiconductor technology is intended to show its advantages in terms of lower-loss power electronics. The advantages of the semiconductor material silicon carbide are illustrated by the SiC bipolar junction transistor in comparison with the first power transistor - the silicon bipolar junction transistor. For the on-state of SiC bipolar junction transistors, a continuous current must be injected into the base. This increases the driving effort. Therefore, the first topic focuses on the driver. In this work, a simple and a complex driver were built and evaluated. With slight modifications, the more complex driver was also used to drive IGBTs and SiC-MOSFETs for comparative measurements. A new approach to reduce driver power dissipation in the inverter when using SiC bipolar junction transistors is presented. It focuses on the commutation algorithm of the inverter. A significant part of the work is devoted to the characterization of the SiC bipolar junction transistor, especially the switching behavior. Turn-on and turn-off switching losses for different operating points are determined. At the end of the work, experimental investigations are performed on a SiC inverter. Finally, the potentials associated with the use of SiC bipolar junction transistors are evaluated but also the limitations are shown.:1 Einleitung 1 2 Aufbau des SiC-Bipolartransistors 2.1 Siliziumkarbid (SiC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Eigenschaften von monokristallinem Siliziumkarbid . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Herstellung des SiC-Wafers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3 Herstellung des SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.4 Defekte im Siliziumkarbidkristall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Halbleiterphysikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1 Gesperrter pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.2 Stromführender pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 Bipolartransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 Aufbau und Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Sperrfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.3 Erster und zweiter Durchbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.4 Stromverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.5 Ladungsträgermodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.6 Eindimensionaler spezifischer Widerstand der Driftzone . . . . . . . . 30 3 Ansteuerung des SiC-Bipolartransistors 3.1 Einführung Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Herausforderungen beim Ansteuern von SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . 34 3.3 Treiberkonzepte für SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.4 Konventioneller Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.5 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.6 Treiber für SiC-MOSFET und IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4 Reduzierung der Treiberverluste durch Einschrittkommutierung 4.1 Einschrittkommutierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2 Stromvorzeichenerkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.3 Berechnung der Verlustleistungen für den eingeschalteten Zustand des SiC- Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.4 Messung der Treiberverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5 Charakterisierung des SiC-Bipolartransistors 5.1 Messaufbau für Untersuchung des Ein- und Ausschaltverhaltens . . . . . . . . 55 5.2 Doppelpulsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.3 Definition der Schaltzeiten und Schaltverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . 57 5.4 Messung der Schaltwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.4.1 Spannungstastköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.4.2 Stromsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.4.3 Zeitliche Verschiebung der Messsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.4.4 Vergleich von konventionellem und 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . 65 5.4.5 Vergleich bei unterschiedlicher Treiberspannung . . . . . . . . . . . . 66 5.4.6 Vergleich bei halb und voll bestückter Halbbrücke . . . . . . . . . . . . 68 5.4.7 Vergleich von SiC-Bipolartransistor mit SiC-MOSFET und Si-IGBT . . 69 5.4.8 Reduzierung der Spannungsspitze beim Ausschalten . . . . . . . . . . 74 5.5 Simulation des Schaltverhaltens eines SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . 79 5.5.1 Schaltverhalten bei Ansteuerung mit unipolarem Treiber . . . . . . . . 79 5.5.2 Simulation des Einfluss der Emitter-Induktivität auf Schaltwärme . . . 81 5.5.3 Vergleich von Simulation und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.6 Durchlassverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6 Einsatz von SiC-Bipolartransistoren im Wechselrichter 6.1 Aufbau der Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.2 Inbetriebnahme des Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.3 Überspannungen an den Motorklemmen der 1 kW-Asynchronmaschine . . . . 91 6.4 Umbau des SiC-Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.5 Spannungsspitzen in der Ansteuerspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.6 Halbbrückenverluste im Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7 Zusammenfassung und Fazit 101 Literaturverzeichnis 104 A Anhang A.1 Netzliste für SiC-Bipolartransistor FSICBH057A120 . . . . . . . . . . . . . . 113 A.2 Leiterplatten für Doppelpuls-Test und SiC-Wechselrichter . . . . . . . . . . . . 114 A.3 Herleitung des Feldverlaufs in der Driftzone des gesperrten pn-Übergangs . . . 116 A.4 Herleitung des Emitterwirkungsgrads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 A.5 Herleitung des spezifischen Widerstands der Driftzone . . . . . . . . . . . . . 121 A.6 Lebenslauf von Henry Barth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A.6.1 Persönliche Angaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A.6.2 Wissenschaftlicher Werdegang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

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La demande pour des appareils portables multifonctionnels encourage les manufacturiers à intégrer des microsystèmes électromécaniques (MEMS) ou optoélectromécaniques (MOEMS) à leurs produits pour réaliser de nouvelles fonctions ; les pico projecteurs constituent un excellent exemple. Or, dans le but d'utiliser ce type de composants, des tensions de polarisation variant entre 100 V et 300 V sont parfois nécessaires. La génération de ces tensions à partir de la pile de l'appareil exige des convertisseurs continu-continu (DC-DC) miniatures procurant un gain de tension de l'ordre de 100. C'est dans ce contexte général que ce projet réalisé pour Teledyne DALSA, un manufacturier de MEMS et concepteur de circuits intégrés haut voltage, a été réalisé. En intégrant ce circuit à ses circuits de contrôle de MEMS, Teledyne DALSA sera ainsi en mesure de proposer des systèmes plus complets à ses clients. Ce mémoire présente la conception d'un convertisseur DC-DC dans la technologie CO8G CMOS/DMOS haut voltage de Teledyne DALSA. Pour que la solution développée soit assez flexible, le circuit permet un ajustement de la tension de sortie entre 100 V et 300 V pour une puissance de sortie inférieure ou égale à 210 mW à partir d'une tension de batterie entre 2,7 V et 5,5 V. Afin de permettre une longue autonomie des appareils portables, ce projet vise une efficacité de transfert d'énergie de 70 % à la puissance de sortie typique de 75 mW à 220 V. De plus, la solution développée doit être la plus petite possible. À partir de l'état de l'art des circuits de gestion de l'alimentation, ce mémoire présente une conception haut niveau du circuit basée sur des raisonnements et calculs mathématiques simples. Bâtissant sur ces concepts, ce travail détaille la conception des composants de puissance, du circuit de puissance et du contrôleur nécessaire à la réalisation de ce projet. Bien que certaines difficultés, notamment le niveau moyen de l'oscillation de la tension de sortie de 1,6 V, ne permettent pas d'utiliser dès maintenant le circuit développé dans une application commerciale, la solution proposée démontre une amélioration entre 15 % et 43 % de l'efficacité de conversion par rapport au circuit flyback actuel de Teledyne DALSA. De plus, la solution proposée intègre un transistor de puissance 78 % plus petit que les transistors standards disponibles dans la technologie CO8G. Étant donnée l'innovation du circuit présenté au niveau des composants de puissance, du circuit de puissance et du contrôleur, ces résultats de l'implémentation initiale laissent envisager un bon potentiel pour cette architecture après une révision.