Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

Transkrypt

1 Część 2 Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 20

2 Półprzewodniki Materiały, w których obecności swobodnego elektronu towarzyszy obecność dziury, tj. brak elektronu w którymś z atomów zarówno elektrony jak i dziury mogą przemieszczać się w materiale ruch ładunku = przepływ prądu Jako samoistne (niedomieszkowane) charakteryzują się konduktywnością pośrednią między dielektrykami (izolatorami) a przewodnikami Al: koncentracja (gęstość objętościowa) elektronów N ~ /cm 3 Si samoistny: koncentracja elektronów i dziur n i ~ /cm 3 Właściwości półprzewodnika można jednak modyfikować poprzez domieszkowanie, tj. wprowadzenie dodatkowych atomów innych pierwiastków, które wprowadzają nośniki bez pary donory (np. fosfor) oddają elektrony zwiększają koncentrację elektronów akceptory (np. bor) wiążą elektrony zwiększają koncentrację dziur Materiały stosowane w elektronice mocy w produkcji masowej: krzem (Si), węglik krzemu (SiC) prace badawcze: GaAs, GaN i in. Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 21

3 Złącze półprzewodnikowe w stanie równowagi Złącze to styk różnych warstw półprzewodnikowych zwykle złącze p-n po obu stronach różne typy przewodnictwa (N/P) zwykle homozłącze po obu stronach ten sam materiał (np. Si) Powstaje obszar zubożony n n < N D (w N) lub p p < N A (w P) spowodowane dążeniem do wyrównania koncentracji n i p przemieszczenie nośników powoduje wytworzenie pola elektrycznego oba mechanizmy ulegają zrównoważeniu przy pewnej szerokości W sc0 przy złączu występuje obszar, w którym atomy są pozbawione elektronów lub dziur tzw. ładunek przestrzenny Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 22

4 Złącze półprzewodnikowe spolaryzowane w kierunku zaporowym Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 23

5 Złącze półprzewodnikowe spolaryzowane w kierunku przewodzenia Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 24

6 Złącze Schottky ego Zależność między prądem i napięciem ma charakter identyczny jak dla złącza p-n Bariera energetyczna złącza Schottky ego zależy od użytego metalu i domieszkowania półprzewodnika Dąży się do uzyskania takiej bariery, by napięcie progowe było niższe niż złącza PN Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 25

7 Obszar ładunku przestrzennego złącza przy polaryzacji zaporowej Złącze asymetryczne znacząco odmienne koncentracje domieszek w obszarze P i w obszarze N Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 26

8 Natężenie pola elektrycznego Prawo Poissona Definicja potencjału elektrycznego Warstwa N poza obszarem ładunku przestrzennego: Warstwa N w obszarze ładunku przestrzennego: Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 27

9 Powielanie lawinowe Atom Elektron generowany termicznie v=0 v=v scat Atom Atom Elektrony powielone E Atom Elektron znajdujący się w polu elektrycznym jest przyspieszany przez to pole: F = m e a = e E a = ee / m e v scat = a t scat W scat = m e v scat 2 / 2 Jeżeli W scat > W g, to zderzenie z atomem powoduje uwolnienie kolejnego elektronu; jeżeli W scat > 2 W g, to dwóch elektronów itd. Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 28

10 Przebicie lawinowe Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 29

11 Przebicie skrośne (przekłucie) struktury P + N P Dziury z warstwy P są przenoszone przez pole elektryczne do warstwy P +, a więc istnieje ścieżka przepływu prądu Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 30

12 Przebicie skrośne (przekłucie) struktury P + N N + Na elektrony pole elektryczne działa w kierunku na zewnątrz struktury, a więc przeciwdziała przewodzeniu prądu Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 31

13 Napięcie przebicia skrośnego i napięcie przebicia lawinowego przyrządu PT Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 32

14 Wytrzymałość napięciowa Przyrząd z przebiciem skrośnym o tej samej koncentracji domieszek Przyrząd bez przebicia skrośnego Przyrząd teoretyczny o zerowej koncentracji domieszek Przyrząd z przebiciem skrośnym o mniejszej koncentracji domieszek Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 33

15 Dryft nośników ładunku w polu elektrycznym Gęstość prądu Ruchliwość Równowaga termodynamiczna brak wymiany nośników z sąsiednimi warstwami Półprzewodnik N Półprzewodnik P Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 34

16 Prąd dryftowy Ponieważ dla krzemu μ p < μ n, stosuje się raczej warstwy N niż P, szczególnie gdy koncentracja domieszek musi być niska Warstwa N: Konduktywność Rezystywność Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 35

17 Spadek potencjału (odłożone napięcie) Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 36

18 Dyfuzja Obojętność elektryczna Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 37

19 Prąd całkowity w obecności dyfuzji Pierwsze prawo Ficka Równania dryftu-dyfuzji Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 38

20 Przewodnictwo bipolarne Ambipolarne równanie dyfuzji Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 39

21 Rozwiązanie statycznego równania dyfuzji Koncentracja nośników jest tym większa, im: większa gęstość prądu J dłuższy czas życia nośników mniejszościowych τ Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 40

22 Modulacja konduktywności Składowa dryftowa prądu w warstwie N przy przewodnictwie bipolarnym Podczas gdy prąd dryftowy w warstwie N przy przewodnictwie unipolarnym Konduktywność jest dużo większa przy przewodnictwie bipolarnym 2 typy nośników (elektrony i dziury) wyższa koncentracja nośników ( p N D ) Koncentracja tym większa, im większy prąd modulacja konduktywności przy czym p J dif z rozwiązania równana dyfuzji bardzo korzystne, gdyż częściowo kompensuje wzrost odłożonego napięcia towarzyszący wzrostowi prądu Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 41

23 Spadek potencjału Szeroka warstwa słabo domieszkowana (W N L a ) Wąska warstwa słabo domieszkowana Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 42

24 Mechanizm przewodzenia a stany dynamiczne przyrządy unipolarne Mechanizm fizyczny usunięcie nośników z powstającego obszaru ładunku przestrzennego mała liczba nośników, gdyż słabe domieszkowanie maksymalna prędkość nośników (nasycenia), gdyż silne pole elektryczne krótki czas maksymalnie analogicznie napływ nośników podczas załączania Sprzeczność z wymaganiami wynikającymi z właściwości statycznych wytrzymałość napięciowa wymaga dużej długości obszaru słabo domieszkowanego Możliwy silny wpływ sterowania stosunkowo krótki czas przelotu nośników czas przełączania może być narzucony przez sterowanie sterowanie polowe: w celu zwiększenia wytrzymałości prądowej, należy obniżyć gęstość prądu powiększając pole przekroju większe pojemności pasożytnicze dłuższe przełączanie Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 43

25 Mechanizm przewodzenia a stany dynamiczne przyrządy bipolarne Mechanizmy fizyczne rekombinacja ze stałą czasową równą czasowi życia nośników mniejszościowych τ rzędu 1 ms dla czystego Si można skrócić do rzędu 100 ns przez odpowiednie operacje technologiczne ekstrakcja prądem wstecznym której czas trwania zależy od natężenia tego prądu liczby nośników do usunięcia, która jest rosnącą funkcją czasu życia τ oraz gęstości prądu przewodzenia możliwa tylko w niektórych przyrządach gromadzenie podczas załączania Sprzeczność z wymaganiami wynikającymi z właściwości statycznych duża obciążalność prądowa wymaga niskiego spadku potencjału długi czas życia, oraz oznacza dużą gęstość prądu wysoka wytrzymałość napięciowa wymaga długiego obszaru słabo domieszkowanego duża liczba gromadzonych nośników długi czas przełączania Wpływ na czas przełączania może mieć także sterowanie Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 44

26 Budowa przyrządów półprzewodnikowych Struktura składa się z warstw Warstwa fragment płytki półprzewodnikowej o określonym typie przewodnictwa i koncentracji domieszek Złącze styk dwóch warstw Elektroda płaszczyzna metalu na powierzchni warstwy wyprowadza jej potencjał (końcówka) lub łączy z inną izolowana oddziałuje na warstwę elektrostatycznie Końcówka ogólnie wyprowadzenie na zewnątrz przyrządu Role warstw i elektrod emiter (E) dostarcza nośników poprzez złącze baza (B) pobudza emiter kolektor (C) odbiera nośniki podłoże (B) w. w której wytwarzany jest kanał (ch) ścieżka dla przewodzenia prądu źródło (S) / dren (D) dostarcza / odbiera nośniki z kanału anoda (A), katoda (K) e. o wyższym / niższym potencjale w stanie przewodzenia bramka wyzwalająca (G) inicjuje lub kończy przewodzenie bramka sterująca (G) umożliwia / uniemożliwia przewodzenie (i wpływa na prąd) Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 45

27 Końcówki przyrządów półprzewodnikowych mocy Obwód główny ścieżka między końcówkami głównymi jego końcówki są końcówkami łącznika przewodzi ten prąd, który odpowiada za przekaz energii w przekształtniku Obwód sterowania ścieżka między końcówkami sterującymi pojęcie sterowania w układach o działaniu przełączającym kontrolowane załączanie lub wyłączanie łącznika w układach o działaniu ciągłym zmiana natężenia prądu obwód sterowania muszą także tworzyć co najmniej 2 końcówki napięcie to różnica potencjałów między dwoma węzłami prąd płynie między dwoma węzłami zwykle jedna końcówka jest wspólna dla obu obwodów Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 46

28 Sterowanie Podział przyrządów półprzewodnikowych niesterowalne nie da się załączyć ani wyłączyć przez oddziaływanie niezależne od obwodu głównego półsterowalne możliwość załączenia albo wyłączenia poprzez obwód sterowania sterowalne możliwość załączenia i wyłączenia poprzez obwód sterowania Wielkość sterująca prąd do przełączenia i utrzymania przyrządu w stanie statycznym niezbędny jest stały przepływ prądu między końcówkami obwodu sterowania ładunek do przełączenia przyrządu niezbędne jest dostarczenie lub odebranie ładunku (przejściowy przepływ prądu) napięcie do przełączenia i utrzymania przyrządu w stanie statycznym niezbędne jest stałe występowanie napięcia między końcówkami obwodu sterowania (w przyrządach mocy nie występuje w czystej postaci) sterowanie napięciowo-ładunkowe utrzymanie przyrządu w stanie statycznym wymaga stałego występowania napięcia, ale dodatkowo do przełączenia przyrządu konieczny jest przepływ ładunku Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 47

29 Mechanizmy sterowania Sterowanie złączowe prądowe duża moc stała ładunkowe średnia moc czynna, średnia moc chwilowa (niskie napięcie) przez długi czas Sterowanie polowe przez bramkę złączową w przyrządach mocy mechanizm pasożytniczy lub pomocniczy, nie służy do wprowadzania w stan przewodzenia Sterowanie polowe przez bramkę izolowaną napięciowo-ładunkowe mała moc czynna, duża moc chwilowa (duży prąd, średnie napięcie) przez krótki czas Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 48