Durchbruchspannung: Diode, Z-Diode und Leistungshalbleiter

Die Durchbruchspannung bezeichnet die Spannung, bei der eine Diode in Sperrrichtung plötzlich beginnt, einen sehr hohen Strom zu leiten. Unterhalb dieser Grenze blockiert die Diode in Sperrrichtung den Strom. Erreicht die angelegte Spannung die Durchbruchspannung, beschleunigt das Feld Elektronen und Löcher im Halbleitermaterial so stark, dass der Sperrstrom innerhalb weniger hundert Millivolt um Größenordnungen steigt (Wikipedia, Z-Diode). Eine Gleichrichterdiode 1N4007 ist für 1.000 V Sperrspannung ausgelegt und lässt dabei höchstens 5 µA durch (Vishay, Datenblatt 1N4001 bis 1N4007). Z-Dioden arbeiten gezielt im Durchbruch, die Reihe BZX55 von 2,4 bis 75 V (Vishay, Datenblatt BZX55). Unterhalb von rund 5 V bricht die Sperrschicht durch den Zener-Effekt durch, darüber durch den Lawineneffekt. Hier lesen Sie, woran Sie beide Mechanismen im Datenblatt erkennen, unter welchem Symbol die Durchbruchspannung bei Diode, TVS-Diode, MOSFET und IGBT steht, wann der Durchbruch das Bauteil zerstört und warum die Isolierung unter einem Leistungshalbleiter ein Vielfaches seiner Sperrspannung halten muss. Diese Isolierung fertigen wir als Isolierteile und Formteile aus Polyimid, Polyester und Aramidpapier.

Durchbruchspannung und Durchschlagspannung: dieselbe Lawine, verschiedene Folgen

Im Halbleiter heißt die Grenze Durchbruchspannung, im Isolierstoff und in Luft Durchschlagspannung. Die Physik dahinter ist verwandt. In beiden Fällen beschleunigt ein starkes Feld freie Ladungsträger so weit, dass sie beim Stoß weitere freisetzen, die Zahl der Ladungsträger wächst lawinenartig (Wikipedia, Lawinendurchbruch). Auch die Feldstärken liegen näher beieinander, als man erwartet: Siliziumkarbid hält bis zum Durchbruch rund 2,2 MV/cm, also 220 kV/mm, etwa das Zehnfache von Silizium (IEEE, Silicon carbide). ROHM nennt für Siliziumkarbid 2,8 MV/cm und für Silizium 0,3 MV/cm, also rund 30 kV/mm (ROHM, Tutorial High Power Devices). Eine 25 µm dünne Polyimidfolie Kapton HN kommt auf 303 kV/mm (Qnity, Datenblatt Kapton HN).

Die letzte Zeile ist der praktische Unterschied. Eine Z-Diode durchläuft den Durchbruch millionenfach, eine Folie genau einmal. Wie der Durchschlag eines Isolierstoffs abläuft und welche Spannung Luft bei welchem Abstand hält, steht im Beitrag zum Spannungsdurchschlag. Den Werkstoffkennwert in kV/mm behandelt der Beitrag zur elektrischen Durchschlagsfestigkeit, Luft, Öl und Paschen-Gesetz der zur Durchschlagsfestigkeit.

Zener-Effekt und Lawineneffekt teilen sich die Durchbruchspannung bei rund 5 V

Der Zener-Effekt braucht eine hoch dotierte Sperrschicht. Die Raumladungszone ist dann so dünn, dass Elektronen ohne Energiezufuhr aus dem Valenzband ins Leitungsband tunneln. Bei Siliziumdioden liegt die Zenerspannung etwa zwischen 2 und 5,5 V (Wikipedia, Zener-Effekt). Der Lawineneffekt setzt bei schwächer dotierten, breiteren Sperrschichten ein: Ein beschleunigter Ladungsträger schlägt durch Stoßionisation ein Elektron aus dem Gitter, beide schlagen weitere heraus, der Strom steigt exponentiell und deutlich steiler als beim Zener-Durchbruch. Daraus folgt eine Regel, die manche Lehrtexte verdrehen: Je höher die Dotierung, desto niedriger die Durchbruchspannung (fmh-studios, Durchbruchspannung).

Wo genau die Grenze liegt, beantworten die Lexika unterschiedlich: 5 V, 5,5 V, 4,5 bis 5 V oder 5 bis 7 V. Eindeutiger ist das Datenblatt, weil beide Effekte mit der Temperatur in entgegengesetzte Richtungen laufen. Der Zener-Effekt senkt die Durchbruchspannung bei Erwärmung, der Lawineneffekt hebt sie. Der Temperaturkoeffizient der BZX55-Reihe wechselt deshalb genau dort das Vorzeichen, wo der eine Effekt den anderen ablöst (Vishay, Datenblatt BZX55).

Prüfstrom 5 mA, bei der 75-V-Type 2,5 mA. Für die Schaltung heißt das: Eine 5,1-V-Diode taugt als einfache Referenz, weil sich die Effekte fast aufheben. Eine 12-V-Diode steigt bei 100 K Erwärmung im ungünstigen Fall um 11 %, also um rund 1,3 V. Wer eine stabile Spannung über 5 V braucht, schaltet nach Wikipedia eine 6,2-V-Z-Diode mit plus 2 mV/K in Reihe zu einer Siliziumdiode in Durchlassrichtung mit minus 2 mV/K. Die Fertigungstoleranz kommt hinzu, die BZX55C5V1 darf zwischen 4,8 und 5,4 V liegen.

Im Datenblatt steht die Durchbruchspannung unter fünf Namen

Die Suche nach „Durchbruchspannung“ im Datenblatt bleibt oft ohne Treffer, weil jede Bauteilklasse eigene Symbole und eigene Prüfbedingungen nutzt. Die Tabelle stellt sie nebeneinander, jeweils mit einem echten Datenblattwert.

Zwei Lesarten stecken in dieser Tabelle. Bei Gleichrichterdiode, MOSFET und IGBT ist der Wert eine Grenze: Der Hersteller garantiert, dass das Bauteil bis dahin sperrt. Wo es tatsächlich durchbricht, steht nirgends, und darauf verlassen darf man sich nicht. Bei Z-Diode und TVS-Diode ist der Wert ein Arbeitspunkt mit Toleranz, gemessen bei einem festgelegten Prüfstrom. Die TVS-Diode zeigt die ganze Kette: Bis 12 V bleibt sie stumm, ab 13,3 V leitet sie, beim Störimpuls klemmt sie auf 19,9 V. Bipolartransistoren tragen gleich drei Grenzen, V_CEO liegt typisch zwischen 20 und 700 V, die Basis-Emitter-Strecke V_EBO bricht schon bei rund 5 V durch (Wikipedia, Breakdown voltage).

Die Temperatur verschiebt beide Lesarten. Der garantierte Höchstwert des Sperrstroms der 1N4007 steigt von 25 auf 125 °C um den Faktor 10. Die Durchbruchspannung des IRL540N wächst typisch mit 0,11 V je Kelvin, beim Kaltstart mit minus 40 °C liegt sie deshalb rund 7 V unter dem Wert bei Raumtemperatur.

Wann der Durchbruch eine Diode zerstört

Ob eine Diode den Durchbruch überlebt, entscheidet die Verlustleistung. Der Lawineneffekt ist umkehrbar, solange die zulässige Gesamtverlustleistung des Bauteils nicht überschritten wird (Wikipedia, Lawinendurchbruch). Die Halbleitertechnik unterscheidet drei Arten:

• Der Zener-Durchbruch tritt bei hoch dotierten Sperrschichten unter rund 5 V auf. Die Kennlinie knickt weich, die Diode erholt sich vollständig.
• Der Lawinendurchbruch braucht zwei Dinge, die kritische Feldstärke und freie Elektronen aus dem Leckstrom. Liefert die Quelle mehr als rund 1 mA, erhält sich die Lawine selbst. Bei 100 µA zündet und erlischt sie im Wechsel, daher das typische Rauschen von Lawinendioden (Vishay, Technical Note 86133).
• Der thermische Durchbruch, auch Durchbruch zweiter Art, schaukelt sich auf: Der Sperrstrom erwärmt die Sperrschicht, die Wärme erhöht den Sperrstrom. Weil keine Sperrschicht vollkommen gleichmäßig ist, brennt sie an einer Stelle durch (fmh-studios, Durchbruch der Diode).

Für die Auslegung zählt deshalb die Bauteilklasse. Z-Dioden und TVS-Dioden sind für den Durchbruch gebaut, eine Gleichrichterdiode ist es nicht. Bei der 1N4007 ist das Überschreiten der zulässigen Sperrspannung nicht einmal für einige Mikrosekunden erlaubt, der Strom schnürt sich in einen dünnen Kanal ein und zerstört die Sperrschicht (Wikipedia, Diode). Leistungs-MOSFETs liegen dazwischen. Der IRL540N ist als lawinenfest ausgewiesen und verträgt einen einzelnen Lawinenimpuls mit 310 mJ (Infineon). Das ist ein Energiebudget für Abschaltspitzen an induktiven Lasten. Dauerbetrieb im Durchbruch deckt es nicht ab.

Unter dem Leistungshalbleiter übernimmt die Isolierung

Ein Leistungshalbleiter gibt seine Wärme meist über eine Metallfläche an einen Kühlkörper ab, und bei den gängigen Gehäusen wie TO-220 ist diese Fläche elektrisch mit dem Chip verbunden. Liegt der Kühlkörper auf einem anderen Potenzial, sitzt dazwischen eine Isolierung, deren Durchschlagspannung weit über der Sperrspannung des Halbleiters liegen muss. Im IGBT-Modul FS450R12OE4 ist das eine Keramik aus Aluminiumoxid als Basisisolierung. Die Dioden sperren 1.200 V, die Isolation muss 2,5 kV bei 50 Hz eine Minute lang halten. Die Kriechstrecke vom Anschluss zum Kühlkörper beträgt 18,5 mm, die Luftstrecke 16 mm, das Gehäuse hat einen CTI über 200 (Infineon, Datenblatt FS450R12OE4_B81).

Bei einzelnen Transistoren im TO-220- oder TO-247-Gehäuse übernimmt eine Isolierscheibe diese Aufgabe. Sie muss zwei Dinge gleichzeitig können: Kilovolt sperren und Wärme leiten. Die Händlerdaten dreier gängiger Ausführungen zeigen, wie verschieden Werkstoffe das lösen.

Der MOSFET aus der Tabelle oben sperrt 100 V, die Polyimidscheibe darunter hält 7,8 kV, ein Faktor von fast 80. Wo es eng und heiß wird, empfehlen wir Polyimid: ein Viertel der Dicke der Silikonscheibe und mehr Durchschlagspannung. Beim Wärmewiderstand liegen beide näher beieinander, als die Tabelle suggeriert. Die 0,15 K/W der Polyimidscheibe gelten für 6,45 cm², auf die Fläche einer 18 x 13 mm großen Scheibe umgerechnet sind es rund 0,4 K/W, so viel wie bei der Silikonscheibe. Lesen Sie solche Händlerwerte deshalb immer mit Fläche, Dicke und Prüfnorm. Bei Glimmerscheiben stehen für dieselbe 0,05-mm-Scheibe mal „5 kV/mm“, mal „5,00 kV“, ohne diese Angaben lässt sich keiner der Werte verwenden. Kapton MT ist die wärmeleitfähig eingestellte Type für die Halbleiterkühlung, die übrigen Typen vergleicht der Beitrag zu Kapton.

Der häufigste Einwand aus der Entwicklung lautet: Die Scheibe hält 7,8 kV, der Zwischenkreis hat 800 V, das ist zehnfache Reserve. Die Rechnung übersieht, wo Isolierscheiben ausfallen. Der Datenblattwert entsteht an einer ebenen Probe zwischen Elektroden im Kurzzeitversuch. Im Gerät versagt die Scheibe an der Bohrung für die Schraube, an einem Grat am Stanzrand, an einem Span unter der Fahne oder am Rand, wo der Weg über die Oberfläche zum Kühlkörper kürzer ist als die Kriechstrecke, die IEC 60664-1 verlangt. Unsere Empfehlung lautet deshalb: Überstand der Scheibe über die Fahne zeichnen, die Bohrung gratfrei stanzen und die Isolation mit der Prüfspannung der Gerätenorm freigeben, wie sie der Beitrag zur Spannungsfestigkeit auflistet.

Sperrspannung und Isolation gemeinsam auslegen

Halbleiter und Isolierteil werden oft von verschiedenen Personen ausgewählt, der eine schaut auf V_RRM, der andere auf kV/mm. Diese Reihenfolge bringt beides zusammen:

1. Die Sperrspannung des Halbleiters mit Reserve über der höchsten Spannung im Betrieb wählen, Schaltspitzen eingeschlossen. Bei MOSFETs den Kaltstart mitrechnen, weil V(BR)DSS mit sinkender Temperatur fällt.
2. Den Sperrstrom bei Betriebstemperatur ablesen. Bei der 1N4007 liegt zwischen 25 und 125 °C eine Zehnerpotenz.
3. Die Isolationsprüfspannung aus der Norm des Endgeräts übernehmen. Ist der Kühlkörper geerdet oder berührbar, gilt sie auch für die Isolierung zwischen Halbleiter und Kühlkörper.
4. Luft- und Kriechstrecken auf der Leiterplatte und am Kühlkörper nach IEC 60664-1 bemessen. Die Kriechstrecke hängt vom CTI des Isolierstoffs ab, ein Werkstoff mit CTI ab 600 kommt mit kürzeren Wegen aus als einer unter 175 (Würth Elektronik, ANP151). Wie die Kriechstrecke gemessen wird, zeigt der Beitrag zum Kriechweg.
5. Das Isolierteil mit Werkstoff, Dicke, Überstand und Bohrungsbild zeichnen und die Kante als Prüfmerkmal festlegen.

Für Leistungselektronik und Umrichter, etwa in der Elektromobilität, liefern wir Isolierfolien aus Polyimid und Polyester als Isolierscheibe und Trennlage. Beim Stanzen und Formen verarbeiten wir Dicken von 0,023 bis 3,0 mm, als Rolle, Bogen, Zuschnitt, Stanzteil oder Formteil, ab einem Stück und bei vorrätigem Material in höchstens zwei Wochen. Schicken Sie uns Zeichnung, Menge und Dicke, bei Rollen zusätzlich Breite, Lauflänge und Kerndurchmesser. Unsere technische Beratung schlägt Werkstoff und Dicke passend zur Spannung Ihres Halbleiters vor.

FAQ zur Durchbruchspannung

Was ist der Unterschied zwischen Sperrspannung und Durchbruchspannung?

Die Sperrspannung im Datenblatt, meist V_RRM, ist die Spannung, die der Hersteller ohne Durchbruch garantiert, bei der 1N4007 sind das 1.000 V. Die tatsächliche Durchbruchspannung liegt darüber, ist aber nicht spezifiziert. Nur bei Z- und TVS-Dioden steht die Durchbruchspannung selbst als Wert mit Toleranz und Prüfstrom im Datenblatt.

Ist eine Diode nach dem Durchbruch kaputt?

Nicht zwangsläufig. Zener- und Lawinendurchbruch sind umkehrbar, solange die Verlustleistung im zulässigen Rahmen bleibt. Eine Gleichrichterdiode ohne Lawinenfestigkeit wird beim Überschreiten von V_RRM aber oft schon nach Mikrosekunden zerstört, weil sich der Strom in einem dünnen Kanal bündelt. Dort brennt die Sperrschicht durch.

Warum ist eine Z-Diode mit rund 5 V besonders temperaturstabil?

Bei rund 5 V wirken Zener-Effekt und Lawineneffekt gleichzeitig. Der Zener-Effekt senkt die Durchbruchspannung bei Erwärmung, der Lawineneffekt hebt sie. Im Datenblatt der BZX55C5V1 liegt der Temperaturkoeffizient deshalb zwischen minus 0,02 und plus 0,02 %/K, bei der 12-V-Type dagegen bei bis zu plus 0,11 %/K.

Wie hängt die Durchbruchspannung von der Dotierung ab?

Je höher die Dotierung, desto dünner die Raumladungszone und desto niedriger die Durchbruchspannung. Hoch dotierte Sperrschichten brechen durch Tunneln unter rund 5 V durch, schwach dotierte durch die Lawine bei Hunderten Volt. Gleichrichterdioden für 1.000 V sind deshalb schwach dotiert, Z-Dioden für 3,3 V stark.

Wie misst man die Durchbruchspannung einer Z-Diode?

Mit einem einstellbaren Netzteil, einem Vorwiderstand in Reihe und einem Voltmeter parallel zur Diode in Sperrrichtung. Sie erhöhen die Spannung, bis durch die Diode der Prüfstrom aus dem Datenblatt fließt, bei der BZX55 sind das 5 mA, bei der TVS-Diode SMBJ12A 1 mA. Der Vorwiderstand begrenzt Strom und Verlustleistung. Bei einer Gleichrichterdiode wie der 1N4007 ist die Durchbruchspannung nicht spezifiziert und liegt über 1.000 V, dafür braucht es ein Hochspannungsprüfgerät mit Strombegrenzung.

Welche Durchschlagspannung braucht die Isolierscheibe unter einem Leistungshalbleiter?

Sie richtet sich nach der Isolationsprüfspannung der Gerätenorm, nicht nach der Sperrspannung des Chips. Ein IGBT-Modul mit 1.200 V Sperrspannung wird mit 2,5 kV eine Minute geprüft. Polyimidscheiben und -folien mit 0,05 mm Träger halten 7 bis 7,8 kV, Silikonscheiben von 0,3 mm rund 6 kV. In der Praxis zählen Überstand, gratfreie Bohrung und Kriechstrecke.