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 i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 23

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 i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 24

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 i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 25

4 Złącze półprzewodnikowe spolaryzowane w kierunku zaporowym Zewnętrzne pole elektryczne ma kierunek wzmacniający pole wbudowane szerszy obszar ładunku przestrzennego wyższa bariera energetyczna trudniejsze przenikanie nośników Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 26

5 Złącze półprzewodnikowe spolaryzowane w kierunku przewodzenia Zewnętrzne pole elektryczne ma kierunek osłabiający pole wbudowane węższy obszar ładunku przestrzennego niższa bariera energetyczna wstrzykiwanie nośników przez barierę (e P, h N) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 27

6 Złącze Schottkky ego (metal-półprzewodnik) Zależność U-I ma charakter identyczny jak dla złącza PN Bariera energetyczna zależy od użytego metalu i domieszkowania półprzewodnika Dąży się do uzyskania takiej bariery, by napięcie progowe było niższe niż złącza PN Bariera potencjału złącz Schottky ego φ s J. Singh, Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 28

7 Obszar ładunku przestrzennego złącza przy polaryzacji zaporowej Złącze asymetryczne znacząco odmienne koncentracje domieszek w obszarze P i w obszarze N Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 29

8 Natężenie pola elektrycznego Prawo Poissona Definicja potencjału elektrycznego Warstwa N poza obszarem ładunku przestrzennego: Warstwa N w obszarze ładunku przestrzennego: Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 30

9 Powielanie lawinowe Atom v = 0 v = v scat Elektron wygenerowany termicznie 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 i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 31

10 Przebicie lawinowe Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 32

11 Przekłucie struktury P + N P przebicie skrośne Dziury z warstwy P są przenoszone przez pole elektryczne do warstwy P +, a więc istnieje ścieżka przepływu prądu Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 33

12 Przekłucie struktury P + N N + Na elektrony pole elektryczne działa w kierunku na zewnątrz struktury, a więc przeciwdziała przewodzeniu prądu Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 34

13 Napięcie przebicia skrośnego i napięcie przebicia lawinowego przyrządu z przekłuciem (PT) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 35

14 Wytrzymałość napięciowa Przyrząd z przekłuciem o tej samej koncentracji domieszek Przyrząd bez przekłucia Przyrząd teoretyczny o zerowej koncentracji domieszek Przyrząd z przekłuciem o mniejszej koncentracji domieszek Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 36

15 Zależność wytrzymałości napięciowej od parametrów warstwy słabo domieszkowanej Koncentracja domieszek i minimalna szerokość dla przyrządu bez przekłucia Ubr / V 1000 Ubr / V E+13 1E+14 ND / cm^-3 1E bez przekłucia bez przekłucia bez przekłucia bez przekłucia WI / µm z przekłuciem z przekłuciem z przekłuciem z przekłuciem N D = cm 3 N D = cm 3 N D = cm 3 N D = cm 3 WI,npt,min / µm Ubr / V Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 37

16 Dryft nośników ładunku w polu elektrycznym Gęstość prądu Ruchliwość Równowaga termodynamiczna brak wymiany nośników z sąsiednimi warstwami Półprzewodnik typu N Półprzewodnik typu P Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 38

17 Prąd dryft owy 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 i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 39

18 Spadek potencjału (napięcie odkładane przez przepływający prąd) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 40

19 Dyfuzja Obojętność elektryczna Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 41

20 Prąd całkowity w obecności dyfuzji Pierwsze prawo Ficka Równania dryftu-dyfuzji Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 42

21 Przewodnictwo bipolarne Ambipolarne równanie dyfuzji Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 43

22 Rozwiązanie statycznego równania dyfuzji Koncentracja nośników jest tym większa, im: większa gęstość prądu J dłuższy czas życia nośników mniejszościowych τ Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 44

23 Modulacja konduktywności Składowa dryft owa prądu w warstwie N przy przewodnictwie bipolarnym przy czym p J diff z rozwiązania równania dyfuzji Podczas gdy 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 bardzo korzystne, gdyż kompensuje wzrost odłożonego napięcia towarzyszący wzrostowi prądu w ideale całkowicie, w rzeczywistości częściowo dodają się do tego spadki potencjału na złączach U J, rosnące wraz z p Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 45

24 Spadek potencjału Szeroka warstwa słabo domieszkowana (W N L a ) Wąska warstwa słabo domieszkowana Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 46

25 Warstwa słabo domieszkowana przy przewodnictwie unipolarnym i bipolarnym przewodnictwo unipolarne 4,46 V przewodnictwo bipolarne 0,446 V 10 A/cm 2 : 0,064 V 1 A/cm 2 : 0,058 V N D = cm 3 W N = 100 µm τ = 1 µs Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 47

26 Składniki spadku potencjału na przyrządzie unipolarnym i bipolarnym U / V 0,1 IF / A 1 0,01 0, ,1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 IF / A UF / V SBD MN SBD N SBD UF PIN P+N PIN N PIN N+N PIN UF SBD PIN N D = cm 3 W N = 100 µm unipolarny: SBD dioda Schottky ego MN Si+Al φ B = 0,70 V bipolarny: PIN dioda PIN P + N N + Si N A = cm 3 φ d = 0,81 V τ = 1 µs Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 48

27 Mechanizm przewodzenia a stany dynamiczne przyrządy unipolarne Fizyczny mechanizm wyłączania 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 często jest narzucony przez sterowanie sterowanie polowe: w celu zwiększenia wytrzymałości prądowej, należy obniżyć gęstość prądu powiększając pole przekroju poprzecznego większe pojemności pasożytnicze dłuższe przełączanie Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 49

28 Mechanizm przewodzenia a stany dynamiczne przyrządy bipolarne Fizyczne mechanizmy wyłączania 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 (rosnąca funkcja czasu życia τ, gęstości prądu i długości warstwy słabo domieszkowanej) nie zawsze możliwa 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 i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 50