Złożone struktury diod Schottky ego mocy

Transkrypt

1 Złożone struktury diod Schottky ego mocy Diody JBS (Junction Barrier Schottky) złącze blokujące na powierzchni krzemu obniżenie krytycznego natężenia pola (Ubr 50 V) Diody MPS (Merged PINSchottky) struktura PIN odpowiada również za przewodzenie przy wysokim natężeniu prądu złącza zabezpieczające PN Ubr V dla Si i GaAs 1 PIN, 2 SBD, 3 JBS, 4 MPS 6

2 Ładunek przejściowy diody PIN Konieczność usunięcia dużej liczby nośników nadmiarowych z całej bazy Ładunek przejściowy Qrr min. 20 ns dla ultraszybkich do mc dla dużych sieciowych Q stor =I F τ Q rr 12 i rr(m) t rr 12 t s 2 τ, I F, di r dt di f dt t f di F dt =f N D, W i 7

3 Ładunek pojemnościowy diody Schottky ego Brak nośników nadmiarowych Konieczność usunięcia swobodnych nośników (o koncentracji ND) w celu wytworzenia obszaru ładunku przestrzennego o odpowiedniej szerokości (naładowania pojemności złączowej) Ładunek pojemnościowy Qc od pojedynczych nc Q c =A N D W sc U r =A N D 2ε U r end U r PIN SBD 4/3 U br N 3/4 N U U br Q c D D br I max A I max Q c 8

4 Wpływ wyłączania diody na układ Moc czynna strat w diodzie P D,off = 1 1 u i d t U D,off i D d t = f s Q rr U D,off D D Tst Ts t rr i IF trr rr moc strat w sąsiednich przyrządach półprzewodnikowych Zakłócanie czujników prądu (zabezpieczenia, sterowanie) Emisja zaburzeń elektromagnetycznych ts tf dif/dt 0,25 irr(m) t Qrr dir/dt irr(m) stromość zaniku prądu dir/dt i powiązana z nią amplituda przenapięcia urr(m) współczynnik łagodności wyłączania tf/tr Dynamika wyłączania diod Schottky ego jest pod każdym względem korzystniejsza Również załączanie jest korzystniejsze w przypadku diod Schottky ego mniejsza moc strat, gdyż trwa krócej i nie występuje początkowy odcinek ze znacząco podwyższonym spadkiem napięcia 9

5 Zależność ładunku przejściowego od warunków pracy PIN silna od IF (~liniowa) SBD silna od UR (~ UR) od stromości dif/dt dużo słabsza dla SBD IF [A] 25 dif/dt [A/µs] Qc [nc] 140 Qrr [nc] [Miesner, thinq! Silicon Carbide Schottky Diodes ] UR [V] 10

6 Porównanie diod PIN i SBD pod względem wpływu parametrów wyłączania IF = 3 A PIN MUR460; SBD C3D04060A; Irat = 4 A, Urat = 600 V UR = 300 V 11

7 Porównanie diod PIN i SBD pod względem wpływu parametrów wyłączania (cd.) PIN MUR460 SBD C3D04060A 12

8 Materiały o szerokiej przerwie energetycznej Optoelektronika diody przerwa bezpośrednia ok. 100x większa emisyjność elektroluminescencyjne (niebieskie, fioletowe, białe, ultrafioletowe) fotodiody laserowe (BluRay) Elektronika mocy przerwa pośrednia diody komercyjne tranzystory, tyrystory badania elektronika wysokich częstotliwości i wysokich temperatur 13

9 Parametry materiałów półprzewodnikowych 14

10 Parametry materiałów półprzewodnikowych (cd.) GaAs (oraz InP, GaP, GaN) mała przewodność cieplna κ i twardość H Diament bardzo mała rozszerzalność cieplna α 15

11 Blokowanie napięcia Krytyczne natężenie pola elektrycznego (SiC ) szczególnie ważne dla diod Schottky ego ε porównywalne Prąd upływu (SiC ) wynika z Wg (SiC ) θ Jr słabiej dla SiC moc strat staje się nieakceptowalna przy wyższym napięciu J r n 2i Wg n i = N c N v exp 2k T 16

12 Blokowanie a przewodzenie Zalety SiC większa koncentracja domieszek dla tej samej wytrzymałości co Si krótszy obszar słabo domieszkowany mniejsza rezystancja w stanie przewodzenia szczególnie dla unipolarnych E br W i U br = 2 E br de e N D = = W i dx ε Wi 4 U 2br R on (na jednostkę przekroju)= = e μ nn D ε μ E 3 n br [Miesner, thinq! Silicon Carbide Schottky Diodes ] 17

13 Napięcie na złączu PN n i = N c N v exp φ d=u t ln U j =U t ln W g 2k T N DN A n 2i p n x j N D n 2i Dla większej przerwy energetycznej koncentracja półprzewodnika samoistnego ni jest mniejsza Większy spadek napięcia na złączu przy identycznym prądzie SiC/Si ok. 2,5x Wady tej nie będą miały przyrządy bez złącza PN (na drodze prądu głównego) SBD MOSFET MESFET JFET SIT 18

14 Wytrzymałość prądowa Mniejsza (ok. 2x) ruchliwość i większy stosunek elektrony/dziury (6 7) Jednak większa (ok. 2x) prędkość nasycenia nośników Wpływ temperatury n i = N c N v exp zbliżona ruchliwość maksymalna (przy silnym polu elektrycznym) ważne w przyrządach MOS Współczynnik rozszerzalności cieplnej α bliski materiałom używanym w obudowach Przewodność cieplna κ większa od miedzi Tj(max) [ C] Si 150 GaAs 200 W g 2k T kiedy ni > ND złącza przestają być asymetryczne kończy się zdolność odprowadzania ciepła C dla Si C dla SiC większa obciążalność prądowa mniejsza częstość uszkodzeń SiC 400 C

15 Struktura Politypy kryształu 3C (β) sześcienna, blenda cynkowa (podobnie jak GaAs) 4H, 6H (α) heksagonalne cyfra oznacza liczbę warstw składających się na pojedynczą komórkę ok. 250 innych politypów 3C diament, Si sześcienna, diament Nieizotropowość heksagonalne mniejsza dla 4H μ (ruchliwość) i ε są tensorami ruch nośników możliwy w kierunku innym niż przyłożone pole elektryczne napięcie przebicia 4H 6H en.wikipedia 20