AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki ELEMENTY ELEKTRONICZNE dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, piotr.dziurdzia@agh.edu.pl dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl PÓŁPRZEWODNIKOWE PRZYRZĄDY DUŻEJ MOCY diody, tranzystory, tyrystory, itd. EiT 2016 r. PD&IB 2 1
TROCHĘ HISTORII Istniejąca od dawna (koniec XIX w.) potrzeba bezstykowej regulacji mocy jest motorem napędowym rozwoju półprzewodnikowych przyrządów dużej mocy. Nienasycone dławiki Lampy próżniowe i gazowe (początek XX wieku) Diody mocy ok. 1950 r. (1953 r. dioda germanowa o I F = 100 A Dioda czterowarstowa Dynistor Tyrystor 1957 r. Energoelektronika to techniki obejmujące zastosowanie urządzeń elektronicznych, teorii obwodów, metod projektowych oraz nowoczesnych narzędzi analizy w celu wysokosprawnego przetwarzania, sterowania i dopasowywania parametrów energii elektrycznej EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 3 TROCHĘ HISTORII 1895 jednofazowy prostownik mostkowy (mostek Graetza) Karol Pollak z Sanoka (patent brytyjski nr 24398) 1901 prostownik rtęciowy (Hewitt Cooper) 1923 tyratron (Irving Langmuir, Hall) 1933 ignitron (Joseph Slepian) 1957 tyrystor klasyczny SCR (General Electric) 1970 tranzystor mocy 500V 20A (Delco Electronics) 1975 Toshiba giant transistor (300V, 400A) 1978 power MOSFET 100V 25A (International Rectifier) 1980 tyrystor GTO 2500V 1000A (Hitachi, Mitsubishi, Toshiba) 1985 IGBT (General Electric, Siemens, Power Compact) 1988 smart power device (Thomson, firmy japońskie) https://pl.wikipedia.org/wiki/energoelektronika EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 4 2
Pełnią rolę łączników (kluczy) elektronicznych: przekształtniki energoelektroniczne zamiana postaci i/lub zamiana parametrów energii elektrycznej Przekształtniki energii elektrycznej zamiana częstotliwości (w tym f=0hz) Zamiana wartości napięcia Zamiana liczby faz układu Regulacja przepływu mocy biernej (czynnej) Uzyskanie odpowiedniej jakości energii (z korekcją parametrów) łączniki energoelektroniczne bezstykowe łączenie mocy w obwodach prądu stałego i zmiennego EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 5 Idealny łącznik półprzewodnikowy: wysokie napięcie przebicia (min. 2 kv), duża obciążalność prądowa ( 2 3 ka), małe straty mocy w ustalonych i przejściowych stanach pracy (przewodzenie, wyłączenie, załączanie i wyłączanie), mała moc sygnału sterującego (najlepiej syg. napięciowy), prosty układ sterujący, brak konieczności stosowania dodatkowych układów zabezpieczających (przeciwprzepięciowych, nadprądowych, odciążających itp.), możliwość łączenia grupowego przyrządów, możliwość integracji z innymi przyrządami (np. diodą odwrotnie równoległą), umiarkowana cena EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 6 3
Ograniczenia fizyczne łączników: Ograniczenia cieplne maksymalna częstotliwość przełączeń (temp. struktury max. 125 o C) Dynamiczne przebicie lawinowe w przyrządach bipolarnych (przy wyłączanie np. tyrystora GTO) Uaktywnienie się elementów pasożytniczych istniejących w strukturach półprzewodnikowych (głównie w przyrządach wyłączalnych zjawisko zatrzaskiwania się) EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 7 STRATY MOCY Typowe przebiegi napięcia, prądu i mocy łącznika półprzewodnikowego EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 8 4
STRATY MOCY - PRZEŁĄCZANIE Przełączanie twarde w dowolnej chwili pracy Przełączanie miękkie w chwili napięcia lub prądu o wartości zero (wtedy iloczyn U I jest bardzo mały) EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 9 ŁĄCZENIE GRUPOWE Łączenie równoległe większy prąd max. Problem: nierównomierny rozpływ prądów Łączenie szeregowe większe napięcie rewersyjne Problem: nierównomierny rozkład napięć EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 10 5
PODZIAŁ (1) Niesterowalne: dioda Nie w pełni sterowalne: sygnał sterujący (bramkowy) umożliwia tylko załączenie przyrządu w dowolnej chwili tyrystor klasyczny, triak Sterowalne: sygnał sterujący (bramkowy) umożliwia zarówno załączenie jaki i wyłączenie przyrządu w dowolnej chwili tranzystory (BJT, MOSFET, IGBT), tyrystor GTO EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 11 PODZIAŁ (1) cd. EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 12 6
PODZIAŁ (2) Unipolarne przepływ prądu przy udziale jednego rodzaju nośników (większościowe) dioda Schottkyego, MOSFET, tyrystor SIT Bipolarne przepływ prądu przy udziale obu rodzajów nośników (mniejszościowe i większościowe) dioda p-n, tranzystor BJT, tyrystor SCR i GTC Bipolarne z bramkami MOS przepływ prądu przy udziale obu rodzajów nośników sterowany napięciowo tranzystory IGBT, tyrystory polowe MCT, BRT, EST EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 13 SYMBOLE EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 14 7
SYMBOLE c.d. EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 15 SYMBOLE c.d. EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 16 8
DIODY MOCY Ch-ka prądowo napięciowa Przebiegi podczas przełączania Problemy: szybkość wyłączania (czas odzyskiwania zdolności zaworowej t rr ) wartość napięcia wstecznego EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 17 DIODY MOCY diody prostownicze energetyczne największe prądy spośród PPM (6 8 ka), duże napięcia wsteczne (4 5 kv) diody szybkie technologia dyfuzyjna z szybkimi elektronami czasy rzędu mikrosekund inne technologie, czas życia nośników mniejszościowych, grubość struktury, rezystancja krzemu mają wpływ na czas wyłączania t rr, gdy t rr maleje, to rośnie prąd wsteczny diody lawinowe zdolność do przepuszczenia dużego impulsu prądu wstecznego (kilka kw), stosowane do zabezpieczenia przepięciowego innych elementów diody unipolarne (metal-pp, Schottky) nośniki większościowe nie gromadzi się ład. nadmiarowych nośników mniejsz. są szybsze, ale niskie napięcie wsteczne (ok. 100 V) EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 18 9
DIODY MOCY diody P-I-N (półprzew. P + - półprzew. samoistny I - półprzew. N + ) dioda wysokonapięciowa N a =10 19 cm -1, N d1 =10 14 cm -1, N d2 =10 19 cm -1 diody MPS (Merged PIN/Schotky rectifier) EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 19 inne EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 20 10
Literatura S. Januszewski, H. Świątek, Nowoczesne przyrządy półprzewodnikowe w energoelektronice, WNT, Warszawa, 1994 L. Frąckowiak, S. Januszewski, Energoelektronika. Część I - Półprzewodnikowe przyrządy i moduły energoelektroniczne, Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2001 S. Januszewski, H. Świątek, K. Zymmer, Półprzewodnikowe przyrządy mocy: Właściwości i zastosowania: Zarys encyklopedyczny, WKŁ, Warszawa, 1999 A. Napieralski, M. Napieralska, Polowe półprzewodnikowe przyrządy dużej mocy, WNT, Warszawa, 1995 R Perret, Power Electronics Semiconductor Devices, Wiley, 2009 A. Gawryluk, IGBT: tranzystory do zadań specjalnych, Elektronika Praktyczna 3/2009 (http://ep.com.pl/files/2947.pdf) M. Jaworowska, Tranzystory IGBT kontra MOSFET, Elektronika B2B, 2009 (http://elektronikab2b.pl/technika/3701-tranzystory-igbt-kontra-mosfet#.vznozxljm72) EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne półprzewodnikowe przyrządy mocy 21 UKŁADY SCALONE elementy elektroniczne w układach scalonych EiT 2016 r. PD&IB 22 11
UKŁAD SCALONY - DEFINICJA Układ scalony układ elektroniczny wykonany jako nierozłączne połączenie elementów elektronicznych, w jednym cyklu technologicznym wewnątrz lub na wspólnym podłożu. EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 23 PODZIAŁ UKŁADÓW SCALONYCH Monolityczne wykonane w bryle półprzewodnika bipolarne unipolarne Hybrydowe wykonane na wspólnym podłożu cienkowarstwowe grubowarstwowe Analogowe pracują z sygnałami analogowymi Cyfrowe pracują z sygnałami cyfrowymi EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 24 12
Bramka NAND UKŁADY SCALONE CMOS bramki podstawowe - schemat Bramka NOR V dd V dd A B PMOSy B Y A A Y B NMOSy A B Y A B W tych bramkach tranzystory PMOS i NMOS pracują naprzemiennie. Wyjście jest podłączone do masy albo do V dd Y A B EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 25 NAND UKŁADY SCALONE CMOS bramki podstawowe topografia PMOSy NMOSy EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 26 13
UKŁADY SCALONE CMOS bramki podstawowe topografia Tranzystory NMOS w bramce NAND metal polikrzem dyfuzja n + gnd! out G G n + n + n + n + S D S D podłoże p EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 27 UKŁADY SCALONE CMOS PROJEKTOWANIE tranzystor - topografia NMOS PMOS EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 28 14
rezystor UKŁADY SCALONE CMOS PROJEKTOWANIE cewka kondensator EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 29 UKŁADY SCALONE CMOS PROJEKTOWANIE varaktor EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 30 15
UKŁADY SCALONE CMOS PROJEKTOWANIE EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 31 UKŁADY SCALONE CMOS PROJEKTOWANIE EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 32 16
UKŁADY SCALONE CMOS PROJEKTOWANIE EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 33 NAJNOWSZE TECHNOLOGIE MOS Transistors Go Vertical IEEE SPECTRUM 2007 r. http://spectrum.ieee.org/semiconductors/design/transistors-go-vertical EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 34 17
Tranzystor planarny vs. 3D Rok 2011 http://download.intel.com/newsroom/kits/22nm/pdfs/22nm-details_presentation.pdf EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 35 Tranzystor FinFET EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 36 18
Tranzystor FinFET EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 37 Tranzystor FinFET EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 38 19
Rozwój tranzystorów MOS EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 39 Klasyczny tranzystor MOS EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 40 20
Tranzystor MOS częściowo zubożony EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 41 Tranzystor MOS w pełni zubożony EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 42 21
3-bramkowy tranzystor MOS w pełni zubożony EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 43 Rozwój technologii Tri-Gate Tighter Fin Pitch for Improved Density Taller and Thinner Fins for Increased Drive Current and Performance Reduced Number of Fins for Improved Density and Lower Capacitance Rok 2014 http://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/pdf/foundry/mark-bohr-2014-idf-presentation.pdf EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 44 22
Rozwój technologii Tri-Gate EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 45 Technologia FD-SOI firmy STMicroelectronics http://www2.st.com/content/st_com/en/about/innovation---technology/fd-soi.html EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 46 23
Bulk CMOS a CMOS UTBB FD-SOI Prof. W. Kuźmicz, http://things2do.imio.pw.edu.pl/page3/fdsoi_prez.pdf EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 47 Technologia FD-SOI firmy STMicroelectronics http://things2do.imio.pw.edu.pl/page3/utbbsoi_skotnicki_11feb2016.pdf EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 48 24
Polaryzacja podłoża TRANZYSTOR RVT Prof. W. Kuźmicz, http://things2do.imio.pw.edu.pl/page3/fdsoi_prez.pdf EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 49 Polaryzacja podłoża TRANZYSTOR LVT (Flip Well) Prof. W. Kuźmicz, http://things2do.imio.pw.edu.pl/page3/fdsoi_prez.pdf EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 50 25
Polaryzacja podłoża TRANZYSTOR LVT (Flip Well) Prof. W. Kuźmicz, http://things2do.imio.pw.edu.pl/page3/fdsoi_prez.pdf EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 51 FD-SOI vs. FinFet Prof. W. Kuźmicz, http://things2do.imio.pw.edu.pl/page3/fdsoi_prez.pdf EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 52 26
FD-SOI vs. FinFet Prof. W. Kuźmicz, http://things2do.imio.pw.edu.pl/page3/fdsoi_prez.pdf EiT 2016 r. PD&IB Elementy elektroniczne układy scalone 53 27