docElektronika Wysokotemperaturowa
download 
Reklamacja Transkrypt
Elektronika Wysokotemperaturowa
Elektronika Wysokotemperaturowa (HTE) Prof. Zbigniew Lisik Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój: 116 e-mail: [email protected] wykład 15 godz. WEEIiA E&T Temperatura a Półprzewodniki Podstawowe półprzewodniki HTE: Si GaAs SiC GaN C - krzem arsenek galu węglik krzemu azotek galu diament Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Struktura kryształu krzemu – tak zwana struktura diamentu Si 3D 2D Si Si Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Struktura kryształu krzemu – model 2D Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Część 1 Podstawy Fizyki Półprzewodników Struktura kryształu krzemu – model 2D T>0K Si Si Si Si Si Si Si Elektron walencyjny uzyskując odpowiednią energię opuszcza wiązanie i staje się elektronem swobodnym. WC Si Si Si Si Si Si Si Si Si generacja pary dziura-elektron WV Wg = Wc - Wv Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Domieszki w krzemie T > 0K Model energetyczny: Si Si Si Si Si Ga- Si Si Si Si Si Si Si Si As+ Si WC WD WA WV Energia jonizacji domieszek jest bardzo mała Wi << Wg Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Koncentracja domieszek w półprzewodniku domieszkowanym Bilans ładunku: nd + Na + nT = pT + Nd + pa n0 + Na = p0 + Nd Typy półprzewodników Na > Nd pp0 > np0 typ p typ n Na < Nd pn0 < nn0 Na = Nd p0 = n0 = ni typ i Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Koncentracja nośników w półprzewodniku Koncentracje elektronów i dziur: W - WF n 0 N C exp C kT W - WF n 0 p 0 n i exp Fi kT W - WV p 0 N V exp F kT WFi - WF n exp i kT n 0p0 n i2 3 Wg Wg T B2 n N C N V exp exp 300 kT kT 2 i ni = f(T) Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Koncentracja nośników w półprzewodniku domieszkowanym Typ n ln n0 ln p0 n0 n0 = nd + nT p0 = nT ni p0 Ts T Ti Ts – Temperatura wyczerpania stanów Ti – Temperatura przejścia w stan samoistny WC WD WV Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Koncentracja nośników w półprzewodniku domieszkowanym Typ n ln n0 ln p0 n0 ni ρ p Ts 0 T Ti Ts – temperatura wyczerpania stanów Ti – temperatura przejścia w stan T Ts Ti samoistny Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Ograniczenia termiczne Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników większościowych nie może się istotnie zmieniać Warunek 1: jest to prawdziwe kiedy Tmin nie mniejsze od Ts. Dla Si Tmin ≈ -50 °C Obszar zalecany ln n0 ln p0 n0 ni p0 Ts T Ti Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Ograniczenia termiczne Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników większościowych nie może się istotnie zmieniać Warunek 2: jest prawdziwe kiedy Tmax mniejsze niż Ti. Dla Si Tmax < 400 °C Obszar zalecany ln n0 ln p0 n0 ni p0 Ts T Ti Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Ograniczenia termiczne Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników większościowych nie może się istotnie zmieniać Warunek 2: jest prawdziwe kiedy Tmax mniejsze niż Ti. Dla 4H:SiC Tmax < 1000 °C Obszar zalecany ln n0 ln p0 n0 ni p0 Ts T Ti Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Ograniczenia termiczne Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników większościowych nie może się istotnie zmieniać Warunek 3: jest prawdziwy kiedy Tmax nie powoduje wzrostu n0. Typowe obszary definiowane w katalogach dla przyrządów krzemowych: Zakres [C] Komercyjny 0 – 70 Przemysłowy -25 – 85 Obszar zalecany ln n0 ln p0 n0 ni p0 Przemysłowy rozszerzony -40 – 125 Militarny -55 – 125 Ts T Ti Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Sznurowanie prądu – hot spot Jeżeli T jest wewnątrz <Ts,Ti>, występuje ujemne cieplne sprzężenie zwrotne: pastylka krzemowa J Obszar bezpieczny Q Ti ρ T Prąd jest wypychany z obszaru cieplejszego i maleje lokalne rozpraszanie ciepła T Ts Ti Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Sznurowanie prądu – hot spot Jeżeli T jest wewnątrz <Ts,Ti>, występuje ujemne cieplne sprzężenie zwrone: pastylka krzemowa J Q Obszar bezpieczny ρ T Prąd jest wypychany z obszaru cieplejszego i maleje lokalne rozpraszanie ciepła T Ts Ti Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Sznurowanie prądu – hot spot Jeżeli T jest poza <Ts,Ti>, występuje dodatnie cieplne sprzężenie zwrotne: pastylka krzemowa J Obszar bezpieczny Q Ti ρ T Prąd jest ściągany do obszaru cieplejszego i rośnie lokalne rozpraszanie ciepła T Ts Ti Część 1 Temperatura a Półprzewodniki Sznurowanie prądu – hot spot Jeżeli T jest poza <Ts,Ti>, występuje dodatnie cieplne sprzężenie zwrotne: pastylka krzemowa J Q Obszar bezpieczny ρ T Prąd jest ściskany do małego obszaru i pojawia się „hot spot” T Ts Ti Część 1 Co to jest HTE Temperatura pracy sprzętu elektronicznego, a w szczególności przyrządów półprzewodnikowych, jest parametrem, którego wartość musi być utrzymywana w dopuszczalnym zakresie Zakres Komercyjny Przemysłowy Rozszerzony Przemysłowy Militarny [C] 0 – 70 -25 – 85 -40 – 125 -55 – 125 Standardy temperaturowe dla zastosowań sprzętu elektronicznego Część 2 Co to jest HTE W dopuszczalnym zakresie muszą być utrzymywane: Ta - temperatura otoczenia Tj - temperatura złącza Ts - temperatura magazynowania ΔT = Tj – Ta - decyduje o możliwościach usuwania ciepła wydzielającego się podczas pracy przyrządu, w wyniku tzw. samonagrzewania Wartości brzegowe zakresów nie są krytyczne wiele przyrządów może pracować poza zakresami, o ile przekroczenie temperatury nie jest wielkie Część 2 Co to jest HTE Jest wiele przypadków, gdy chcemy aby przyrząd pracował powyżej górnego limitu deklarowanego zakresu • Gdy przypadków takich było stosunkowo niewiele wystarczała selekcja przyrządów deklarowanych dla zakresu militatnego • Wzrost zapotrzebowania wywołał zainteresowanie się przemysłu opracowaniem rozwiązań specjalnie dla tych zastosowań Pojawiła się Elektronika Wysokotemperaturowa (ang. High Temperature Electronics) obejmująca wszelkie zastosowania elektroniki powyżej 150C Część 2 Co to jest HTE HTE rozwijała się od samego początku dwutorowo, co znalazło swoje odbicie w podziale jej na dwa obszary: Dolny zakres dla temperatur 150-300 Obejmuje większość zastosowań i jest rozwijany jako rozszerzenie rozwiązań stosowanych w zakresie militarnym Górny zakres dla temperatur powyżej 300 Obejmuje ograniczoną ilość zastosowań, wymaga nowych rozwiązań konstrukcyjnych, nowych materiałów i nowych technologii Część 2 Co to jest HTE Oszacowanie rynku HTE dla poszczególnych zakresów temperaturowych (opracowanie z roku 2001) Temperatura 1998 2003 2008 $ mln % $ mln % $ mln % do 200 171.7 97 344.5 91 779.3 88 200 300 powyżej 300 Całkowite 4.3 1.2 2 1 25.2 7.1 7 2 78.3 29.5 9 3 177.2 100 378.8 100 887,1 100 Część 2 Obszary zastosowań HTE Jest kilka sytuacji, w których aparatura lub elementy elektroniczne pracują warunkach powyżej „zakresu militarnego” (ZM): • Wysoka temperatura otoczenia – temperatura Ta > ZM • Duża gęstość wydzielania ciepła – temperatura Tj > ZM • Testy niezawodnościowe – temperatura Ts lub Tj > ZM • Praca w warunkach podwyższonej radiacji – im większa temperatura Tj i Ta tym większa odporność na radiację Część 2 Wysoka temperatura otoczenia Zwykle jedynie część aparatury elektronicznej musi być umieszczona w Obszarze Podwyższonej Temperatury (OPT) – np. w przedziale silnikowym samochodu. Istnieje kilka sposobów rozwiązania tego problemu: Rozwiązanie klasyczne Tylko przetworniki i elementy wykonawcze lokowane są w OPT podczas gdy pozostała tzw. „inteligentna” część pozostaje w obszarze o niskiej temperaturze Część 2 Wysoka temperatura otoczenia Niedogodności rozwiązania klasycznego - obie części są połączone długimi przewodami co prowadzi do: • pojawienia się zakłóceń elektromagnetycznych, • dużego poziomu szumów, • niskiego poziomu niezawodności. Rozwiązanie HTE Część „inteligentna” jest w znacznej części lokowana w OPT jako elementy typu „smart sensor” „smart actuator” i „smart power” opracowane jako elementy HTE Część 2 Wysoka temperatura otoczenia process control Architektura rozwiązania HTE Obszar normalnej temperatury Obszar Podwyższonej Temperatury Przetwornik A/D interface sensorelectronic s sensor Wzmacniacze Konwertery prąd/napięcie Generatory pomiarowe Czujniki temperatury Czujniki przepływu Czujniki poziomy Czujniki ciśnienia Czujniki przyspieszenia Część 2 Wysoka temperatura otoczenia W rozważanym przypadku Ta > ZM, natomiast nie ma żadnych założeń co do temperatury Tj . Można tu zastosować jedno z dwóch rozwiązań: 1. Temperatura Tj jest utrzymywana poniżej Ta dzięki specjalnej konstrukcji obudowy, która zapewnia izolację cieplną oraz zawiera systemy efektywnego odbierania ciepła oraz chłodzenia. W efekcie jest możliwe zastosowanie rozwiązań opracowanych dla zakresu militarnego Część 2 Wysoka temperatura otoczenia Przykład zastosowania elektroniki należącej do ZM dla potrzeb OPT: Miniaturowa obudowa z systemem chłodzenia dla elektroniki wprowadzanej do obwiertów Bennet G.A., “Thermal Protection Methods for Electronics in Hot Wells”, in High Temperature Electronics, Ed. Kirschman R., IEEE Press, 1998, pp.111-124 Część 2 Wysoka temperatura otoczenia W rozważanym przypadku Ta > ZM, natomiast nie ma żadnych założeń co do temperatury Tj . Można tu zastosować jedno z dwóch rozwiązań: 2. Temperatura Tj > ZM podczas pracy urządzenia, natomiast zastosowane w nim elementy jak i system odprowadzania ciepła są zaprojektowane do pracy w warunkach HTE. Działanie i niezawodność elementów elektronicznych w warunkach HTE jest gorsze – zastosowanie tej opcji musi być uzasadnione: redukcją kosztów, wagi, wymiarów itp. Część 2 Wysoka temperatura otoczenia Przykład zastosowania elektroniki HTE: HTE moduł zawierający miernik ciśnienia dla zastosowań w odwiertach Quartzdyne Inc, Ta = 200 °C Technologia hybrydowa: • podłoże Al2O3 • layout grubowarstwowy – 5 poziomów metalizacji • elementy Si-SOI • kontakty Au domieszkowane Pd Część 2 Duża gęstość wydzielania ciepła • Zwykle w każdym urządzeniu elektronicznym, dzięki odpowiednim rozwiązaniom thermal management, jest utrzymywana temperatura na dozwolonym poziomie np. poniżej 125 C dla „zakresu militarnego” • Jeżeli gęstości rozpraszania mocy są tak duże, że dostępne rozwiązania uniemożliwiają utrzymanie temperatury wewnątrz ZM, jest konieczne zastosowanie rozwiązań HTE. Ma to miejsce gdy: Lokalne gęstości rozpraszania ciepła przekraczają naturalne możliwości jego odprowadzenia Odpowiednie systemy chłodzenia nie mogą być użyte Część 2 Duża gęstość wydzielania ciepła Kiedy rozpraszanie ciepła przekracza naturalne granice 15 CMOS Bipolarna Multi HTE? IBM ES9000 Gęstość strumienia ciepła [W/cm2] Rosnąca ilość tranzystorów na powierzchni chip’u prowadzi do gęstości rozpraszania ciepła MW/cm3 (np. procesory) Pentium 4 Xeon DP 10 Itanium 2 Fujitsu VP2000 IBM 3090S TCM NTT IBM GP Core i7 IBM RY5 IBM RY7 Fujitsu M780 5 Core 2 Quad Core 2 Extreme IBM RY6 IBM 3090 TCM Core 2 Duo CDC Cyber 205 IBM RY4 IBM 3081 TCM IBM 4381 Fujitsu M 380 NEC LCM IBM RY3 Core IBM 370 IBM 3033 IBM 360 Honywell DPS88 POWER4 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Lata Jedyny sposób zwiększenia strumienia ciepła wzrost ΔT=Tj – Ta Część 2 Duża gęstość wydzielania ciepła Kiedy rozpraszanie ciepła przekracza naturalne granice Nowe struktury 3D IC zawierające kilka warstw z aktywnymi elementami, o dużym objętościowym rozpraszaniu ciepła Jedyny sposób zwiększenia strumienia ciepła wzrost ΔT=Tj – Ta Część 2 Duża gęstość wydzielania ciepła Kiedy rozpraszanie ciepła przekracza naturalne granice Przyrządy mocy o dużych gęstościach prądu (np. w przyrządach z Si 100 A/cm2 a w przyrządach z SiC ponad 1000 A/cm2) STMicroelectronics SiC JFET 1700V Jedyny sposób zwiększenia strumienia ciepła wzrost ΔT=Tj – Ta Część 2 Duża gęstość wydzielania ciepła Kiedy odpowiednie systemy chłodzenia nie mogą być użyte Brak miejsca na wprowadzenie takich dodatkowych elementów polepszających chłodzenie jak np. radiator (np. w samolotach) System nawigacyjny Becker RN-3300 Jedyny sposób kompensaty gorszego chłodzenia wzrost ΔT=Tj – Ta Część 2 Duża gęstość wydzielania ciepła Kiedy odpowiednie systemy chłodzenia nie mogą być użyte Z uwagi na konstrukcję, rozwiązania wymuszonego chłodzenia nie mogą być użyte (zamknięte obszary bez możliwości wymiany powietrza) Stacje bazowe i telefony komórkowe Jedyny sposób kompensaty gorszego chłodzenia wzrost ΔT=Tj – Ta Część 2 Duża gęstość wydzielania ciepła Kiedy odpowiednie systemy chłodzenia nie mogą być użyte Urządzenie jest izolowane termicznie lub umieszczone w próżni (np. systemy umieszczone na orbicie lub w kosmosie) MILSTAR (USA) Wojskowy satelita komunikacyjny Jedyny sposób kompensaty gorszego chłodzenia wzrost ΔT=Tj – Ta Część 2 Testy niezawodnościowe • HTE testy niezawodnościowe są ważnym ale nietypowym przypadkiem zastosowania warunków HTE w elektronice • Wykorzystują one fakt, że proces degradacji sprzętu elektronicznego ulega przyspieszeniu w wyższych temperaturach, co pozwala skrócić testy niezawodności • Podstawą tych testów jest wzór Arrheniusa opisujący dynamikę starzenia (pojawiania uszkodzenia): Ea R(T) C exp kT R(T) – Szybkość degradacji Ea – energia aktywacji dla danego procesu Część 2 Testy niezawodnościowe Test czasu życia Polega on na pomiarze czasu życia (do uszkodzenia) dla pracy w podwyższonej temperaturze Tt, a następnie wyznaczenia go dla temperatury pracy T0 ze wzoru: 1 1 R(Tt ) Ea exp exp - R(To ) k To Tt Aby test był efektywny, różnica Tt-T0 musi być dostatecznie duża (np. dla Si przy T0=125 C i Tt=250 C przyspieszenie wynosi ok. 1000) Część 2 Testy niezawodnościowe Test burn-in Test stosowany dla odpowiedzialnego sprzętu elektronicznego przed przeznaczeniem go do sprzedaży Wykorzystuje istnienie w początkowej fazie eksploatacji urządzeń przedziału intensywnych uszkodzeń tzw. „infant mortality” (wczesne uszkodzenie) Część 2 Testy niezawodnościowe Test burn-in Polega na przetrzymaniu testowanych elementów przez pewien czas w podwyższonej temperaturze Tt w celu wykrycia i wyeliminowania uszkodzonych lub „słabych” części wykazujących „infant mortality” HPB-5B (MCC) 768 szt. VLSI Tt = 150 °C Część 2 Testy niezawodnościowe Wzór Arrheniusa a niezawodność elementów HTE Elementy elektroniczne HTE wymagają lepszych technologii aby uzyskać zadawalający poziom odporności ich połączeń metalicznych na efekt elektromigracji. Przykłady uszkodzeń połączeń Cu w układach scalonych wywołanych efektem elektromigracji zdjęcia SEM Część 2 Testy niezawodnościowe Wzór Arrheniusa a niezawodność elementów HTE Elementy elektroniczne HTE wymagają lepszych technologii aby uzyskać zadawalający poziom niezawodności. Wpływ efektu elektromigracji na szybkość uszkodzeń dane dla HTMOS IC Honeywell Jay Goetz, High Temperature Electronics for Sensor Interface and Data Acquisition, Sensors Expo,1998 Część 2 Zastosowania w przemyśle Oszacowanie rynku HTE wg. zastosowań (opracowanie z roku 2001) Zastosowania 1998 $ mln % 2003 2008 $ mln % $ mln % Sprzęt lokowany 78,5 44 107,3 28 w odwiertach Aeronautyka 14,5 8 48,0 13 Automobilizm 78,3 44 204,8 54 Inne 5,9 3 18,7 5 Total 177,2 100 378,8 100 170,2 19 108,4 12 561,3 64 47,2 5 887,1 100 Część 3 Zastosowania w przemyśle Pożądane zakresy temperatur Branża Temperatury [C] Odwierty 75-600 Aeronautyka do 350 Automobilizm do 1000 Procesy przemysłowe do 1000 Sprzęt konsumencki do 500 Komunikacja do 250 Monitorowanie reaktorów jądrowych do 550 Systemy kosmiczne do 600 Zastosowania militarne do 250 Część 3 Zastosowania w przemyśle Zastosowania w odwiertach Przykłady zastosowań: Typ zastosowania Zakres Temperatury [C] Odwierty naftowe i gazowe 75- 225 Wstrzykiwanie pary 200-300 Odwierty geotermiczne 200-600 10 ÷ 30 °C/km głębokość > 5 km Część 3 Zastosowania w przemyśle Zastosowania w odwiertach Schematyczne przedstawienie systemu zbierana danych wprowadzanego do odwieru : Bennet G.A., “Thermal Protection Methods for Electronics in Hot Wells”, in High Temperature Electronics, Ed. Kirschman R., IEEE Press, 1998, pp.111-124 Część 3 Zastosowania w przemyśle Zastosowania w samochodach Przykłady zastosowań: Zastosowanie Zakres temperatury[C] Przedział silnika -40 165 Na silniku i w przekładniach -40 165 Ilość części: Montowane na kołach -40 250 Komora silnika do 1000 1990 – 150 2000 - 400 Część 3 Zastosowania w przemyśle Zastosowania w samochodach Wzrost udziału elementów elektronicznych w koszcie pojedynczego samochodu osobowego : Tamor M.A., “High-Temperature Electronics for Automobiles”, in High Temperature Electronics, Ed. Kirschman R., IEEE Press, 1998, pp.153-160 Część 3 Zastosowania w przemyśle Awionika Zastosowanie Zakres Temperatury [C] Systemy hamulcowe do 250 Systemy awioniki do 250 Sterowanie silnikiem do 300 “Smart Skins” do 350 >30% moc pobierana do chłodzenia przez ECS Część 3 Zastosowania w przemyśle Awionika Temperatura na powierzchni nowoczesnych nowych generacji samolotów (oszacowanie McDouglas) Ott J., “HSCT research defines weight, fuel issues”, Aviation Week & Space Technology, 28 Mar. 19888, pp.88-90 Część 3 Zastosowania w przemyśle Procesy pzemysłowe Przykłady zastosowań: Zastosowanie Zakres temperatury [C] Gorące procesy do 600 Monitorowanie fluidów Monitorowanie płomienia do 1000 SP-100 Reaktor jądrowy na satelitach do 600 375-425C Część 3 Zastosowania w samochodach Przewidywane warunki pracy podzespołów Część 3 Zastosowania w samochodach Przykładowe temperatury w komorze silnika Podzespoły blisko silnika (120°C) Otoczenie układu zapłonowego (130°C) Otoczenie alternatora (150°C) Podzespoły oddalone od silnika (105°C) Przestrzeń pomiędzy silnikiem a powierzchnią drogi (70°C) Komponenty montowane przy piastach kół (do 250°C) Blok silnika (140°C) Wydech (578°C) Olej silnikowy i przekładniowy (150°C) Powierzchnia drogi (40-60°C) G.W. de Vos, D.E. Helton, “Migration of Power Train Electronics to On-Engine and On-Transmission”, SAE Technical Paper Series 1999-01-0159 Część 3 Zastosowania w samochodach Problemy lokalizacji w komorze silnika ● Ograniczona przestrzeń ● Niestabilne środowisko (silny wpływ na niezawodność podzespołów elektronicznych) ● Szeroki zakres zmian temperatur w komorze silnika (-50°C ÷ +150°C) Część 3 Zastosowania w samochodach Napęd hybrydowy Układ sterowania silnikiem elektrycznym z falownikiem Toyota Część 3 Zastosowania w samochodach Falowniki Si SiC 3-fazowy falownik (Mitsubishi Electric), Pwy - 11kW, Uwe – 1,2 kV (tranzystory SiC-MOSFET i diody SiC-Schottky) Część 3 Materiały półprzewodnikowe Wymagania materiałowe dla różnych zakresów temperatur Zakres Przerwa temperatur zabroniona Wg [eV] [C] Materiał 300 = 1.12 Si – SOI 300500 2.3 GaAs, InP, GaP 2.3 SiC, C-diament GaN, AlN, BN, 500 Część 4 Materiały półprzewodnikowe Ocena światowego rynku półprzewodników w zastosowaniu do HTE 1998 Półprzewodnik 2003 2008 $ mln % $ mln % $ mln % Si/SOI 155,7 88 308,8 82 667,7 75 GaAs 20,6 11 60,8 16 183,2 21 Półprzewodniki szerokopasmowe 0,9 1 7,2 2 36,2 4 Razem 177,2 100 378,8 100 887,1 100 Część 4 Półprzewodniki - krzem ● Naturalną granicą dla krzemu jest 400 C ● Przyrządy z Si mogą pracować poza ZM ale ich parametry staną się gorsze, realne temperatury pracy są mniejsze: obwody analogowe – ca 150 C obwody cyfrowe – ca 250 C ● Poprawa ich parametrów wymaga modyfikacji technologii CMOS i I2L – ca 150 °C zastosowania technologii SOI – ca 300 °C Część 4 Półprzewodniki - krzem Tranzystory bipolarne Wpływ temperatury na charakterystyki wyjściowe maleje współczynnik wzmocnienia – ca 30%/100C rośnie napięcie przewodzenia – ca 20 mV/100C rośnie rezystancja Ron, a więc rosną straty prąd upływu złącza B-C przy otwartym emiterze podwaja się co 8C charakterystyki tracą liniowość ze wzrostem temperatury Układowy limit temperatury – 150°C Część 4 Półprzewodniki - krzem Tranzystory MOSFET Wpływ temperatury na charakterystyki przejściowe prąd nasycenia maleje z temperaturą 2N4351 Uds= const. rezystancja Ron rośnie – ca. 70%/100C , a więc rosną straty występuje termicznie stabilny punkt na charakterystyce wyjściowej maleje transkonductancja Układowy limit temperatury – 160°C Część 4 Półprzewodniki - krzem Tranzystory MOSFET Wpływ temperatury na charakterystyki przejściowe prąd nasycenia maleje z temperaturą rezystancja Ron rośnie – ca. ICL – podprogowy prąd upływu kanału 70%/100C , a więc rosną straty IDL – prąd upływu drenu maleje napięcie progowe – odpowiada prądowi 1% prądu nasycenia drenu maleje szybkość zmian prądu podprogowego drenu Układowy limit temperatury – 160°C Część 4 Półprzewodniki - krzem Tranzystory MOSFET Prąd upływu w standardowym układzie scalonym NMOS IL ~ T 3 2 - Wg exp 2kT Prąd upływu rośnie exponencjalnie z temperatrurą powodując: utratę efektywnej kontroli prądu drenu ID przez napięcie bramki wystąpienie efektu luch-up pasożytniczej struktury p-n-p-n w wyniku oddziaływania z sąsiednimi tranzystorami w układzie CMOS Układowy limit temperatury – 160°C Część 4 Półprzewodniki - krzem Silicon on Insulator - SOI Wymiary: Warstwa aktywna Si 100-20 nm Warstwa izolatora 400 nm Warstwa podłoża Si setki m Krzem Izolator Profity: • mniejszy prąd upływu • mniejsza pojemność złączowa • mniejsza pojemność pasożytnicza do podłoża • temperatura pracy 300C, a nawet więcej Część 4 Półprzewodniki - krzem Struktura SOI MOSFET Porównanie struktury MOSFET standardowej (bulk) oraz SOI Struktura SOI ma mniejszy prąd upływu o 2-4 rzędy dzięki: brakowi dolnego złącza i prądu upływu do podłoża wykonywanie tranzystorów w cienkiej warstwie aktywnej, co pozwala na ich wzajemna izolację (np. przez trencze SiO2) zmniejszenie wymiarów wertykalnych złącz p-n dające 100x redukcję całkowitej powierzchni złącz (i ich prądu upływu) Układowy limit temperatury – 200°C Część 4 Półprzewodniki - krzem Struktura SOI MOSFET Zmiany napicia progowego w tranzystorach NMOS i PMOS układu CMOS Zmiany napięcia progowego zachodzą z szybkością 2.5 mV/C w NMOS oraz 3 mV/ C w PMOS Uzyskanie wysokiej temperatury pracy w układach wykonanych w technologii SOI wymaga wprowadzenia dodatkowych zmian w konstrukcji tranzystorów, podwyższających ich osiągi. Konstrukcyjny limit temperatury – 300°C Część 4 Półprzewodniki - krzem Silicon on Insulator - SOI Część 4 Półprzewodniki – arsenek galu GaAs jest drugim po Si materiałem półprzewodnikowym pod względem dostępności technologii, jego przerwa zabroniona Wg=1.43 eV powoduje, że fizyczna granica dla jego temperatury pracy jest powyżej 500C GaAs unikalnych własności w porównaniu z Si, jak: • prosta przerwa energetyczna • duża ruchliwość elektronów • zdolność do wzrostu jako hetrostruktury co czyni go bardzo atrakcyjnym materiałem dla wielu aplikacji. Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu SiC jest najbardziej zaawansowanym technologicznie materiałem o szerokiej przerwie zabronionej, która mieści się w przedziale 2.2-3.2 eV Naturalną granicą dla SiC jest 800-1300C Podłoża 2’ i 3’ Karborund – materiał ścierny Monokryształ Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu SiC krystalizuje w różny sposób tworząc kryształy o różnych własnościach. Są 3 podstawowe konfiguracje zawierające wiele politypii: • heksagonala 4H:SiC, 6H:SiC • kubiczna 4C:SiC • romboedryczna 15R:SiC a=c≠b = = 90, = 120 a=b=c = = = 90 a=b=c = = ≠ 90 Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Zasady tworzenia politypii Istnieją 3 możliwe wzajemne położenia atomów kolejnych warstw: A – warstwa bazowa B i C – przesunięte względem A C B B C A C A C A C B B B A A A 3C-SiC 4H-SiC 6H-SiC Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Porównanie Si i politypii SiC Parametr Si 6H-SiC 4H-SiC 3C-SiC 1.11 2.9 3.2 2.2 Maksymalne pole elektryczne [V/cm] (Nd[cm-3]) 6x105 (1x1017) 35x105 (1x1017) 35x105 (1x1017) 3x106 (4.8x1016) Prędkość nasycenia elektronów [cm/s] 107 2x107 2x107 2.5x107 Przewodność cieplna [W/cm*K] 1.5 4.9 4.9 4.9 Przerwa energetyczna Wg [eV] Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Si vs SiC – co możemy uzyskać Parametry półprzewodnika (SiC/Si) Punkt topnienia 2x Przerwa zabroniona 3x Spodziewana poprawa parametrów przyrządu (SiC/Si) Efekty eksploatacyjne Polepszenie parametrów w przyrządach testowych (>1kV) Praca w wysokich temperaturach 3x Proste chłodzenie 3 x (350oC) Napięcie przebicia 10x Redukcja ilości elementów 2,5 x (19,5kV) Duża gęstość prądu, małe straty (1/100) x Małe rozmiary, duża efektywność 1/420 x (23mcm2) Duża szybkość 10x Małe rozmiary, duża szybkość 10 x (28-100ns) Napięcie przebicia 10x Przewodność cieplna 3x Maksymalna prędkość unoszenia nośników 2x Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Anizotropia w SiC Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Prace nad kluczami półprzewodnikowymi z SiC Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrządy z SiC Diody Schottky’ego Zależność rezystancji na jednostkę powierzchni diody Schottky’ego spolaryzowanej w kierunku przewodzenia od jej napięcia przebicia dla diod wykonanych z Si, GaAs oraz z 4H-SiC Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrządy z SiC Diody Schottky’ego • Infineon Napięcie blokowania: 600 V Prądy przewodzenia: 2-4-5-6-8-10-12-16 A Typowe napięcie przewodzenia: 1.5-2.1 V Typowy prąd wsteczny: 15-400 μA Maksymalna temperatura: 175°C Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrządy z SiC Diody Schottky’ego • Infineon Napięcie blokowania: 1200 V Prąd przewodzenia: 2-5-7.5-10-15 A Typowe napięcie przewodzenia : 1.65 V Typowy prąd wsteczny : 48-360 μA Maksymalna temperatura : 175°C Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrządy z SiC Diody Schottky’ego • CREE Napięcie blokowania: 600 V Prądy przewodzenia: 1-2-4-6-8-10-20 A Typowe napięcie przewodzenia: 1.6-1.5 V Maksymalna temperatura: 175°C Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrzady z SiC Diody Schottky’ego • CREE Napięcie blokowania: 1200 V Prądy przewodzenia: 5-10-20 A Typowe napięcie przewodzenia: 1.6 V Maksymalna temperatura: 175°C Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrządy z SiC Diody Schottky’ego • CREE Napięcie blokowania: 1700 V Prądy przewodzenia: 10-25 A Typowe napięcie przewodzenia: 1.8 V (25 °C) 3.2 V (175 °C) Maksymalna temperatura: 175°C Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrzady z SiC Diody Schottky’ego • ST Microelectronics Napięcie blokowania: 600 V Prądy przewodzenia: 4-6-8-10 A Typowe napięcie przewodzenia: 1.7-1.9 V Maksymalna temperatura: 175°C Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrzady z SiC Diody Schottky’ego • Semelab Aerospaciale Napięcie blokowania: 600-1200 V Maksymalna temperatura : 400°C Matryce z równolegle połączonych struktur 1mm2 • Sensitron Napięcie blokowania: 600-1200 V Prądy przewodzenia: 4-8-10-20 A Maksymalna temperatura : 400°C Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrzady z SiC Tranzystory MESFET • CREE Napięcie dren-źródło UDSS : 120 V Napięcie bramka źródło UGS : -20÷3 V Częstotliwość : < 2,7 GHz Maksymalna temperatura : 255°C Moc wyjściowa: 10-60 W Był usunięty z oferty – obecnie dostępny, ale tylko jako struktura Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrzady z SiC Tranzystory MESFET • Teledyne Scientific poprzednio Rockwell Scientific Moc wyjściowa : 25 W Częstotliwość : < 1.5 GHz Oferowany jako element wzmacniacza mocy L1700 Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrządy z SiC Tranzystory JFET • SemiSouth Lab Napięcie dren-źródło UDSS : 1200-1700 V Prąd drenu ID : 17-30-4 A Napięcie bramka źródło UGS : -15÷15 V Czas wyłączania toff : ≈ 30 ns Maksymalna temperatura : 175°C Maksymalna moc rozpraszana: 136-250-58 W W obudowach microsscomponents Tmax 200 °C (przy selekcji 260°C) Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrządy z SiC Tranzystory BJT • TranSiC TO-258 Napięcie przebicia UCE0 : 1200 V Prąd kolektora IC : 6-20 A Czas przełączenia toff : ≈ 20-30 ns Maksymalna temperatura : 250°C Napięcie w stanie przewodzenia UCEsat: 1 V Część 4 Półprzewodniki – węglik krzemu Aktualnie oferowane przyrządy z SiC Tranzystory MOSFET QJD1210006 • Powerex Napięcie przebicia U(BR)DSS : 1200 V Prąd drenu ID : 100 A Napięcie bramka źródło UGS : -5÷20 V Maksymalna temperatura : 200°C Maksymalna moc rozpraszana: 880 W Część 4 Elementy pasywne Elementy pasywne generalnie lepiej znoszą pracę w podwyższonych temperaturach Wpływ temperatury: ● Wzrost temperatury może istotnie wpływać na parametry elementu biernego (np. wartości rezystancji) – zmiany odwracalne. ● Podwyższona temperatura może inicjować stopniową degradację elementu (np. stopniowa utrata elastyczności czy zmiany strukturalne materiału) ● Podwyższona temperatura może prowadzić do stopienia (np. luty) lub nadmiernego osłabienia (np. materiały organiczne) materiałów konstrukcyjnych elementu Część 5 Elementy pasywne Elementy pasywne generalnie lepiej znoszą pracę w podwyższonych temperaturach Wpływ temperatury: ● Wzrost temperatury wpływa na materiały obudowy i „terminacji” powodując. pogorszenie izolacyjności czy efekty wywołane różnicami współczynników rozszerzalności cieplnej (np. elementy ruchome). ● Podwyższona temperatura i tzw. „cykle termiczne” mogą wywoływać uszkodzenia w obudowach i warstwach ochronnych powodując rozszczelnienie umożliwiające dostęp zanieczyszczeń. Część 5 Elementy pasywne Zastosowania w warunkach HTE: Istotne kwestie ● W jakim zakresie temperatur ma element pracować i jak mogą zmieniać się jego własności w tym zakresie. ● Jakie zmiany charakterystyk sa dopuszczalne (np. kompensowane w systemie) ● Czy występują inne dodatkowe oddziaływania (radiacja, wibracje itp.) ● Jakie zmiany parametrów wywołane podwyższoną temperaturą są tolerowane (starzenie – limit czasu pracy) Część 5 Elementy pasywne Zastosowania w warunkach HTE: Istotne kwestie ● Czy można skompensować wzrost temperatury, obniżeniem parametrów pracy w stosunku do ich wartosci znamionowych (moc, prąd, napięcie, częstotliwość, czas pracy itp.). ● Czy można tak dobrać, zaprojektować elementy bierne w systemie aby zminimalizować lub skompensować wpływ wysokiej temperatury poprzez odpowiednią konstrukcję i dobór materiałów (np. aby zmiany kompensowały się). Część 5 Elementy pasywne - rezystory Parametry termoczułe rezystorów ● Wartość rezystancji – zależność określona parametrem katalogowym TCR (Temperature Coefficient of Resistance) - miara ppm/K (10-6/K) drutowe cienkowarstwowe grubowarstwowe metalowe foliowe 0 ÷ 20 1÷5 1 ÷ 200 0 ÷ 200 Część 5 Elementy pasywne - rezystory Parametry termoczułe rezystorów ● Wyższa temperatura może wymagać przeskalowania maksymalnej mocy znamionowej. Część 5 Elementy pasywne - rezystory Parametry termoczułe rezystorów ● Szumy generowane termicznie tzw. szumy Johnsona (silny wpływ na niezawodność podzespołów elektronicznych) U2 = 4kT R Δf Poziom szumów prądowych w różnych typach rezystorów (dB) Część 5 Elementy pasywne - rezystory Maksymalne wartości temperatury drutowe 350 ÷ 500 cienkowarstwowe 200 ÷ 275 grubowarstwowe 200 ÷ 300 metalowe foliowe 300 Część 5 Elementy pasywne - kondensatory Parametry termoczułe kondensatorów ● Wartość rezystancji – zależność określona parametrem katalogowym TCR (Temperature Coefficient of Resistance) - miara ppm/K (10-6/K) Część 5 Elementy pasywne - kondensatory Maksymalne wartości temperatury organiczne 200 ÷ 300 ceramiczne standardowe 200 ÷ 400 ceramiczne „high-K” < 200 ceramiczne grubowarstwowe ≈ 200 elektrolityczne 200 ÷ 300 szklane ≈ 300 cienkowarstwowe (np. SiO2) 200 ÷ 400 ceramika HT (Al2O3 , BeO) > 500 Część 5 Elementy pasywne - kondensatory HT Kondensatory dedykowane TRS Technologies opracowało materiał dielektryczny „relaxor ferroelectric” pozwalający realizować kondensatory o dedykowanej temperaturze. HT-300 HT-460 Część 5 Elementy pasywne - indukcyjne Informacje podstawowe ● Oferowane na rynku cewki i transformatory mogą pracować do 200 C ● Specjalnie zaprojektowane transformatory pracuja do 450-500 C ● Prace rozwojowe dla zastosowań HTE koncentrują się w obszarze ≤ 300 C Rozważając zastosowania HTE należy oddzielnie traktować ograniczenia wynikające z części elektrycznej (uzwojenia) i magnetycznej (rdzenie) Część 5 Elementy pasywne - indukcyjne Uzwojenia i izolacje dla HTE temperatura uzwojenia izolacja Cu, Al polimery 250÷500 C Al, Cu pokryte Ag, Ni Cu, Ag pokryte stalą szkło, mika, tlenki Si, Mg, Al. materiały ceramiczne 500÷1000 C Au, Pt stal szkło, mika, tlenki Si, Mg, Al. materiały ceramiczne ≤ 250 C Część 5 Elementy pasywne - indukcyjne Rdzenie dla HTE ● Naturalnym ograniczeniem termicznym jest temperatura Curie TC powyżej, której rdzeń traci własności ferroelektryczne . Ferromagnetyki Fe FeOFeO2 MgOFe2O3 Ni 1115 C 585 C 440 C 354 C Materiały rdzeniowe Fe50Ni50 Deltamax 480 C Fe 97Si3 Silectron 730 C Fe49Co49V2 Supermendur 940 C Fe82B12Si6 METGLAS 2605S 330 C Część 5 Elementy pasywne - indukcyjne Rdzenie dla HTE ● Histereza ferromagnetyków ulega zmianie wraz z temperaturą. Zmiany kształtu histerezy dla Deltamax (jednostki względne) Część 5 Baterie Baterie HTE oferowane na rynku Część 5 Baterie Baterie HTE oferowane na rynku Część 5 HTE - Sonda Venus 450 C MCM Transformator Część 5 Elementy pasywne Część 5 Elementy pasywne Część 5 Elementy pasywne Część 5
