docprawo dryft
download 
Reklamacja Transkrypt
prawo dryft
Część 2 Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 20 Półprzewodniki ● Materiały, w których obecności swobodnego elektronu towarzyszy obecność dziury, tj. brak elektronu w którymś z atomów ● Jako samoistne (niedomieszkowane) charakteryzują się konduktywnością pośrednią między dielektrykami (izolatorami) a przewodnikami ● Al: koncentracja (gęstość objętościowa) elektronów N ~ 1023/cm3 Si samoistny: koncentracja elektronów i dziur ni ~ 1010/cm3 Właściwości półprzewodnika można jednak modyfikować poprzez domieszkowanie, tj. wprowadzenie dodatkowych atomów innych pierwiastków, które wprowadzają nośniki bez pary ● zarówno elektrony jak i dziury mogą przemieszczać się w materiale ruch ładunku = przepływ prądu 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 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 – nn < ND (w N) lub pp < NA (w P) spowodowane dążeniem do wyrównania koncentracji n i p przemieszczenie nośników powoduje wytworzenie pola elektrycznego oba mechanizmy ulegają zrównoważeniu przy pewnej szerokości Wsc0 przy złączu występuje obszar, w którym atomy są pozbawione elektronów lub dziur – tzw. ładunek przestrzenny Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 22 Złącze półprzewodnikowe spolaryzowane w kierunku zaporowym Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 23 Złącze półprzewodnikowe spolaryzowane w kierunku przewodzenia Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 24 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 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 Natężenie pola elektrycznego Prawo Poissona Warstwa N− poza obszarem ładunku przestrzennego: Definicja potencjału elektrycznego Warstwa N− w obszarze ładunku przestrzennego: Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 27 Powielanie lawinowe Atom v=vscat v=0 Elektron generowany termicznie Atom Elektrony powielone Atom E Atom Elektron znajdujący się w polu elektrycznym jest przyspieszany przez to pole: F = me∙a = e∙E ⇒ a = eE / me vscat = a∙tscat Wscat = me∙vscat2 / 2 Jeżeli Wscat > Wg, to zderzenie z atomem powoduje uwolnienie kolejnego elektronu; jeżeli Wscat > 2∙Wg, to dwóch elektronów itd. Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 28 Przebicie lawinowe Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 29 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 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 Napięcie przebicia skrośnego i napięcie przebicia lawinowego przyrządu PT Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 32 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 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 Prąd dryftowy Ponieważ dla krzemu μp < μn, 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 Spadek potencjału (odłożone napięcie) Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 36 Dyfuzja Obojętność elektryczna Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 37 Prąd całkowity w obecności dyfuzji Pierwsze prawo Ficka Równania dryftu-dyfuzji Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 38 Przewodnictwo bipolarne Ambipolarne równanie dyfuzji Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 39 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 Modulacja konduktywności ● Składowa dryftowa prądu w warstwie N− przy przewodnictwie bipolarnym przy czym ∆p ∝ Jdif – z rozwiązania równana dyfuzji ● 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 ≫ ND) Koncentracja tym większa, im większy prąd – modulacja konduktywności bardzo korzystne, gdyż częściowo kompensuje wzrost odłożonego napięcia towarzyszący wzrostowi prądu Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 41 Spadek potencjału Szeroka warstwa słabo domieszkowana (WN La) Wąska warstwa słabo domieszkowana Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 42 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 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 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 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 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 Mechanizmy sterowania ● Sterowanie złączowe ● Sterowanie polowe przez bramkę złączową ● prądowe – duża moc stała ładunkowe – średnia moc czynna, średnia moc chwilowa (niskie napięcie) przez długi czas 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
