ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Katedra Elektroniki ELEMENTY ELEKTRONICZNE dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel , dziurdzi@agh.edu.pl dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 51; tel , brzoza@agh.edu.pl ZAGADNIENIA TERMICZMNE W ELEMENTACH ELEKTRONICZNYCH EiT 015 r. PD&IB 1

2 MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA P R O B L E M? Jeden z tranzystorów układu scalonego o wymiarach 1µm x 1µm x 1µm rozprasza 1mW mocy elektrycznej (np. MOS. I D =1mA przy U DS =1V) Jaką gęstość mocy zanotujemy:? P? [W/m 3 ]!!! V EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 3 MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA SPRZĘŻENIE ELEKTROTERMICZNE Wydzielana w układzie moc Zmiana temperatury w sąsiedztwie elementu mocy Zmiana parametrów elektrycznych mikrostruktury pod wpływem zmian temperatury EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 4

3 MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA DROGI ROZPRASZANIA CIEPŁA Q T P(t) moc wydzielana w układzie Q L P(t) Q B ciepło rozpraszane przez dolną powierzchnię układu scalonego Q B Q T ciepło rozpraszane przez górną powierzchnię układu scalonego Q L ciepło rozpraszane przez wyprowadzenia układu scalonego EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 5 SPOSOBY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA PRZEWODZENIE EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 6 3

4 SPOSOBY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA KONWEKCJA Konwekcja, inaczej unoszenie ciepła, jest procesem przekazywania ciepła z powierzchni ciała stałego do otaczającego płynu (gaz lub ciecz). Przekazywanie ciepła odbywa się zatem nie tylko przez przewodnictwo cieplne, ale i poprzez ruch swobodnych molekuł. Naturalna konwekcja jest spowodowana miejscową różnicą gęstości medium i w jej procesie rozrzedzony płyn unosi się ku górze w obecności pola grawitacyjnego. RADIACJA W procesie radiacji nie uczestniczy żadne medium pośredniczące. Ciepło jest transmitowane do otoczenia poprzez fale elektromagnetyczne (najskuteczniej w próżni). Ilość emitowanego ciepła zależy tylko od temperatury i emisyjności powierzchni materiału z którego jest wykonana. Procesem radiacji rządzi prawo Stefana- Boltzmanna, zgodnie z którym energia radiacji jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury. EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 7 REZYSTANCJA TERMICZNA T x, y, z, t wx, y, z, t C T x, y, z, t t gdzie: - współczynnik przewodności cieplnej [W/mK], C - pojemność cieplna właściwa [J/m 3 K], w rozkład gęstości generowanej mocy cieplnej [W/m 3 ] To x ( 3, l 3, c 3, m 3, S 3 ) (, l, c, m, S ) Tj ( 1, l 1, c 1, m 1, S 1 ) - przewodność cieplna, l grubość warstwy, c ciepło właściwe, m masa, S powierzchnia warstwy EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 8 4

5 REZYSTANCJA TERMICZNA To x ( 3, l 3, c 3, m 3, S 3 ) (, l, c, m, S ) ( 1, l 1, c 1, m 1, S 1 ) Tj T j (t) R th_1 R th_ R th_3 T 0 (t) P(t) Tj T P l l l T PR R R th_1 th_ th_3 S1 1 S S 3 3 EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 9 POJEMNOŚĆ TERMICZNA To x ( 3, l 3, c 3, m 3, S 3 ) (, l, c, m, S ) ( 1, l 1, c 1, m 1, S 1 ) Tj C 4C l S th Rth 4 C c T j (t) R th_1 R th_ R th_3 T 0 (t) P(t) C th_1 C th_ C th_3 EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne rezystancja termiczna 10 5

6 MODEL TERMICZNY Przykładowy model elektrotermiczny obudowy układu scalonego Q T Q T Q L radiator Q B mikrostruktura metaliczne wyprowadzenia z mikrostruktury P(t) Q L dolna część obudowy mikrostruktury Q B EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne rezystancja termiczna 11 MODUŁ PELTIERA 30mm q c Cu 3mm 30mm (-) (+) q h q h EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 1 6

7 MODUŁ PELTIERA EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 13 MODUŁ PELTIERA EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 14 7

8 MODUŁ PELTIERA x 1 P N P N P N 3 T Temperatura względna 1 radiator, moduł termoelektryczny, 3 - mikroukład Q h Q U I c pel EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 15 MODUŁ PELTIERA Q h = *T h (t)*i pel (t) x Al O 3 Cu Bi Te 3 T h (t) P j =R*I pel(t) Cu T c (t) Al O 3 Q c = *T c (t)*i pel (t) EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 16 8

9 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO SEEBECKA Zjawisko Seebecka opisuje indukowanie się siły termoelektrycznej w obwodzie składającym się z dwóch różnych przewodników, których połączenia znajdują się w różnych temperaturach. Indukowane napięcie termoelektryczne U zależy od temperatury. Współczynnik s jest charakterystyczny dla zastosowanego materiału przewodnika. T+T T Przewodnik Przewodnik T+T T+T U=s 1 T-s (T-T)-s T= =s 1 T=(s 1 -s ) T U s T... 1 T s EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 17 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO PELTIERA Zjawisko Peltiera opisuje procesy zachodzące na złączu dwóch różnych przewodników przy przepływie prądu elektrycznego. W zależności od kierunku przepływu prądu złącze pochłania lub wydziela ciepło do otoczenia. Efektywność zachodzących procesów zależy od różnicy poziomów energetycznych pasm przewodnictwa zastosowanych przewodników. q c przewodnik_1 e q h Ciepło pochłaniane przez złącze Temperatura obniża się e przewodnik_ Ciepło wydzielane przez złącze Temperatura wzrasta EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 18 9

10 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO PELTIERA pasmo przewodnictwa pasmo przewodnictwa poziom E Fermiego Metal_1 Q T poziom Fermiego T Półprzewodnik T poziom Fermiego Metal_ p I pel pasmo przewodnictwa EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 19 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO THOMSONA Zjawisku Thomsona musi towarzyszyć przepływ prądu elektrycznego pod wpływem przyłożonego z zewnątrz napięcia. Jeżeli jednorodny przewodnik znajduje się w polu gradientu temperatury, to w zależności od kierunku przepływającego prądu ciepło jest pochłaniane lub wydzielane z jego objętości T 1 q c T 1 +T Q t e q h e dt T I dx gdzie: T współczynnik Thomsona [Vm/K], I prąd elektryczny [A] x EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 0 10

11 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO JOULE A Q j I R Z uwagi na zależność rezystywności od temperatury oraz ze względu na znaczne gradienty temperatury występujące w pracujących modułach termoelektrycznych, właściwą formułą opisującą wydzielane w nich ciepło Joule'a jest wzór: Q j l ( T I S 0 ) dx gdzie: (T) rezystywność materiału [m], l długość przewodnika [m], S powierzchnia przekroju poprzecznego przewodnika [m ] EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 1 MODUŁ PELTIERA Q c I R pel BiTe3 Tc I pel Bi Te3 T h T c Q h I R pel BiTe3 Th I pel Bi Te3 T h T c EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 11

12 MODEL MODUŁU PELTIERA Zależności termiczne parametrów modułów Peltiera [W/ o C] R [Ω] %.4 80% [mv/ o C] T [ o C] T [ o C] % T [ o C] EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 3 MODEL MODUŁU PELTIERA Ekwiwalentny model modułu termoelektrycznego EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 4 1

13 MOC CIEPLNA MODUŁU PELTIERA P. Górecki : Ogniwa Peltiera, Elektronika Praktyczna 1/96, Warszawa 1996 EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 5 TECHNOLOGIE PÓŁPRZEWODNIKOWE EiT 015 r. PD&IB 6 13

14 WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW POZIOMA METODA BRIDGAMA ZARODEK KRYSZTAŁ STOPIONA STREFA POLIKRYSZTAŁ GRZEJNIK EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 7 WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW METODA CZOCHRALSKIEGO EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 8 14

15 WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW METODA CZOCHRALSKIEGO EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 9 WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW METODA BEZTYGLOWA EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 30 15

16 WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW WAFER płytka podłożowa (np. krzemu) powstała z pociętego pręta krzemowego EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 31 WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW EPITAKSJA Technika półprzewodnikowa wzrostu kryształów z roztworów i z fazy gazowej na istniejącym podłożu krystalicznym. Najważniejszym zastosowaniem tej techniki jest wytwarzanie cienkich warstw monokrystalicznych. Jej cechą jest możliwość otrzymywania materiałów półprzewodnikowych w temperaturach dużo niższych niż temperatura topnienia. GaAs+Ga GaAs Stopiony roztwór o temperaturze dużo niższej niż temperatura topnienia samego GaAs Warstwa epitaksjalna Podłoże EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 3 16

17 WYTWARZANIE ZŁĄCZ P-N ZŁĄCZA WYCIĄGANE N D =10 14 cm -3 N A -N D =5x10 14 cm -3 N D -N A =10 15 cm -3 N A -N D =5x10 15 cm -3 N D -N A =10 16 cm -3 PRZEKOMPENSOWANIE zmiana wypadkowej koncentracji domieszki Metoda wyciągania została zastąpiona metodami polegającymi na wprowadzaniu domieszek po otrzymaniu monokryształu lub metodami epitaksji warstwy o przeciwnym do podłoża typie przewodnictwa. EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 33 WYTWARZANIE ZŁĄCZ P-N ZŁĄCZA STOPOWE In Faza ciekła In+Ge p-ge n-ge n-ge n-ge EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 34 17

18 WYTWARZANIE ZŁĄCZ P-N ZŁĄCZA DYFUZYJNE Metoda dyfuzji stosowana jest obecnie na szeroka skalę. Przeprowadzana jest w wysokiej temperaturze. N A >N D p N D >N A n Bor N A>N D p N D >N A n IMPLANTACJA JONÓW Implantację przeprowadzana jest w stosunkowo niskich temperaturach. Implantacja może być przeprowadzana poprzez warstwy tlenku, lecz na ogół nie zachodzi przez warstwę metalu. Implantacja stosowana jest do wytwarzania bardzo cienkich warstw, do wprowadzania domieszek, które nie mogą być wprowadzone poprzez dyfuzję. Dyfuzja ze źródła o skończonej wydajności Złącze liniowe Dyfuzja ze źródła o stałej wydajności Złącze skokowe Implantacja pozwala na uzyskanie bardzo dokładnej geometrii i jakości obszarów domieszkowanych. EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 35 WYTWARZANIE TRANZYSTORA N-P-N SiO n-si p n-si n+ p n-si n+ p n-si EiT 015 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 36 18