Elementy przełącznikowe

Transkrypt

1 Elementy przełącznikowe Dwie główne grupy: - niesterowane (diody p-n lub Schottky ego), - sterowane (tranzystory lub tyrystory) Idealnie: stan ON zwarcie, stan OFF rozwarcie, przełączanie bez opóźnienia i bez strat mocy.

2 Elementy przełącznikowe Rzeczywiste parametry: - skooczone napięcie w stanie ON; - skooczony prąd w stanie OFF; - skooczone czasy przełączania; - ograniczone wartości prądów, napięd, mocy i temperatury wnętrza wynikają z cech struktur półprzewodnikowych.

3 Struktury elementarne: p-n, m-s, MOS Złącze p-n Złącze: struktura p-n lub powierzchnia graniczna.

4 Struktury elementarne: p-n Główna cecha: asymetria charakterystyki prądowo-napięciowej.

5 Złącze niespolaryzowane Struktury elementarne: p-n p p n i n p

6 Struktury elementarne: p-n n n n i p n j p q D p dp dx q p E p 0

7 Struktury elementarne: p-n Napięcie kontaktowe: B V( x n ) V( x p ) V T ln N A n 2 i N D

8 Struktury elementarne: p-n Model stałoprądowy złącza idealnego Kierunek przewodzenia: u > 0 kierunek zaporowy: u < 0 Złącze idealne szereg założeo upraszczających.

9 Struktury elementarne: p-n Model stałoprądowy: i, u wolnozmienne. i I I S prąd nasycenia. S exp u V T -1 I a 2 S n i Krzemowe elementy średniej mocy: I S (T o ) = A. S

10 Struktury elementarne: p-n u( i) V T ln I i S 1 Si, T o, przeciętne prądy przewodzenia: u = mV.

11 Struktury elementarne: p-n

12 Struktury elementarne: p-n Modele dynamiczne Inercja Dyfuzyjna: pojemności nieliniowe Q D i( u) I S exp u V T 1

13 Struktury elementarne: p-n Złączowa: QJ q S N A xp( u) K B u

14 Struktury elementarne: p-n Efekty pasożytnicze: - Rezystancja szeregowa r s (modulacja konduktywności) - Przebicie: i W M I G I S ; M 1-1 u U W PL

15 Struktury elementarne Złącze M-S (metal-półprzewodnik) Styki M-S: w każdym elemencie półprzewodnikowym i układzie scalonym. Na ogół nieprostujące (omowe). W pewnych warunkach prostujące (charakterystyki podobne jak dla złącz p-n).

16 Struktury elementarne: m-s Warstwa opróżniona z elektronów w półprzewodniku; grubośd: W. Jeśli N D małe to W duże; jeśli przy tym odpowiednie prace wyjścia, to złącze prostujące.

17 Struktury elementarne: m-s Charakterystyka: i I M exp m u V T 1 I M S A T 2 exp M kt p

18 Si, złącze idealne Struktury elementarne: m-s

19 Struktury elementarne: m-s Model dynamiczny: nie ma pojemności dyfuzyjnej. Zastosowanie: diody Schottky ego: Au, Pt, Al - Si, N D < cm -3. Element rzeczywisty: rezystancja szeregowa, przebicie bardziej dokuczliwe niż w złączu p-n Styk omowy: Al, Au - Si, N D > cm -3

20 Struktury elementarne Struktura Metal Izolator Półprzewodnik (MOS). W każdym elemencie półprzewodnikowym i układzie scalonym. Najczęściej: Al(Au) SiO 2 Si. Gruby dielektryk (powyżej 0.1 µm) tylko izolacja.

21 Struktury elementarne: MOS Cienki dielektryk (< 0.1 µm) oddziaływanie potencjału elektrody metalowej na stan półprzewodnika: tranzystory MOS, pamięci EPROM, struktury CCD.

22 Struktury elementarne: MOS t OX < 0.1 µm; N A = cm -3

23 Struktury elementarne: MOS u GS = 0 stan neutralny, p S = N A, n S znikome; u GS < 0 akumulacja, p S > N A ; u GS > 0 (małe), p S < N A ; u GS > 0 (większe), warstwa opróżniona; u GS = U p > 0, n S = N A, próg inwersji; u GS > U p, n S > N A, warstwa inwersyjna.

24 Struktury elementarne: MOS

25 Struktury elementarne: MOS Napięcie progowe U P. Uwzględniając Ф MS i stany powierzchniowe (ładunek Q P ), mamy: U P MS q B QP C OX Q B

26 Struktury elementarne: MOS B 2 V T ln N n i A ; C OX OX t OX O B 0; QB 0; MS 0; QP 0 U P zależy od domieszkowania i jakości technologii (Q P ). Małe N A : U P < 0.

27 Struktury elementarne: MOS Pojemnośd bramka-podłoże: C GS S C C OX OX C C J J

28 Struktury elementarne: MOS Dla u GS > U P warstwa inwersyjna: swobodne elektrony. Efektywny ładunek warstwy inwersyjnej (na jednostkę powierzchni): Q ( u U ) I GS P C OX

29 Struktury elementarne: MOS Możliwośd przepływu prądu. Regulacja przez zmiany u GS. Zastosowanie: tranzystory MOSFET. Możliwości przebicia izolatora przy dużym u GS. U BR (SiO 2 ): V na 1µm.

30 Diody Diody w energoelektronice: przełączniki niesterowane. Wykorzystanie asymetrii charakterystyki. Dwie grupy: - diody ze złączem p-n (krzemowym); - diody Schottky ego ze złączem M-S (typowo metal na krzemie). W ostatnich latach nowa podgrupa diod Schottky ego metal na węgliku krzemu SiC.

31 Diody Główne różnice między diodami krzemowymi p- n i M-S. Diody p-n: możliwe większe napięcia dopuszczalne. M-S: szybsze przełączanie, mniejszy spadek napięcia w stanie przewodzenia (przy niezbyt dużych prądach). Diody Si trudno o połączenie dużej szybkości przełączania i dużych napięd dopuszczalnych.

32 Diody Węglik krzemu SiC: krytyczne natężenie pola kilkakrotnie większe niż w Si (poza tym inne zalety ale bardzo trudna technologia). Napięcia przebicia diod M-S (SiC) wyraźnie większe niż diod M-S (Si). Diody M-S SiC połączenie szybkości przełączania i wytrzymałości napięciowej nieosiągalne w diodach krzemowych.

33 Diody Bardzo dużo odmian diod Si (p-n lub M-S); niewiele (na razie) odmian diod SiC. Zakres dopuszczalnych prądów przewodzenia od miliamperów do kiloamperów. Dopuszczalne napięcia wsteczne od kilkudziesięciu V do kilku (a nawet kilkunastu) kv. W sprzedaży diody pojedyncze, podwójne lub czwórki (mostki Graetza).