Elementy przełącznikowe

Elementy przełącznikowe
Dwie główne grupy:
- niesterowane (diody p-n lub Schottky’ego),
- sterowane (tranzystory lub tyrystory)
Idealnie: stan ON – zwarcie, stan OFF –
rozwarcie, przełączanie bez opóźnienia i bez
strat mocy.
Elementy przełącznikowe
Rzeczywiste parametry:
- skooczone napięcie w stanie ON;
- skooczony prąd w stanie OFF;
- skooczone czasy przełączania;
- ograniczone wartości prądów, napięd, mocy i
temperatury wnętrza –
wynikają z cech struktur półprzewodnikowych.
Struktury elementarne: p-n, m-s, MOS
•
Złącze p-n
Złącze: struktura p-n lub powierzchnia
graniczna.
Struktury elementarne: p-n
•
Główna cecha: asymetria charakterystyki
prądowo-napięciowej.
Struktury elementarne: p-n
•
Złącze niespolaryzowane
pp
ni
np
Struktury elementarne: p-n
nn
jp
q Dp
ni
dp
dx
pn
q
p
E p
0
Struktury elementarne: p-n
•
Napięcie kontaktowe:
B
N A ND
V ( xn ) V ( x p ) VT ln
ni2
Struktury elementarne: p-n
Model stałoprądowy złącza idealnego
•
•
Kierunek przewodzenia: u > 0
kierunek zaporowy: u < 0
Złącze idealne – szereg założeo upraszczających.
Struktury elementarne: p-n
Model stałoprądowy: i, u – wolnozmienne.
i
IS
u
exp
-1
VT
IS – prąd nasycenia.
2
i
IS a S n
Krzemowe elementy średniej mocy: IS(To) =
10-14 - 10-10 A.
Struktury elementarne: p-n
u(i ) VT
•
i
ln
IS
1
Si, To, przeciętne prądy przewodzenia:
u = 600 - 700mV.
Struktury elementarne: p-n
Struktury elementarne: p-n
Modele dynamiczne
Inercja pojemności nieliniowe
Dyfuzyjna:
QD
i (u )
IS
u
exp
VT
1
Struktury elementarne: p-n
Złączowa:
QJ
q S N A x p (u )
K
B
u
Struktury elementarne: p-n
Efekty pasożytnicze:
- Rezystancja szeregowa rs (modulacja
konduktywności)
- Przebicie:
iW M I G I S ;
M
1
uW
1U PL
Struktury elementarne
Złącze M-S (metal-półprzewodnik)
Styki M-S: w każdym elemencie półprzewodnikowym i układzie scalonym. Na ogół – nieprostujące (omowe).
W pewnych warunkach – prostujące
(charakterystyki podobne jak dla złącz p-n).
Struktury elementarne: m-s
Warstwa opróżniona z elektronów w
półprzewodniku; grubośd: W.
Jeśli ND małe to W duże; jeśli przy tym
odpowiednie prace wyjścia, to złącze
prostujące.
Struktury elementarne: m-s
Charakterystyka:
i
IM
IM
u
exp
m VT
S A T
2
exp
1
M
kT
p
Struktury elementarne: m-s
Si, złącze idealne
Struktury elementarne: m-s
Model dynamiczny: nie ma pojemności
dyfuzyjnej.
Zastosowanie: diody Schottky’ego: Au, Pt, Al Si, ND < 1016cm-3.
Element rzeczywisty: rezystancja szeregowa,
przebicie – bardziej „dokuczliwe” niż w złączu
p-n
Styk omowy: Al, Au - Si, ND > 1017cm-3
Struktury elementarne
Struktura Metal–Izolator–
Półprzewodnik (MOS).
W każdym elemencie półprzewodnikowym i
układzie scalonym. Najczęściej: Al(Au) – SiO2 – Si.
Gruby dielektryk (powyżej 0.1 µm) – tylko
izolacja.
Struktury elementarne: MOS
Cienki dielektryk (< 0.1 µm) – oddziaływanie
potencjału elektrody metalowej na stan
półprzewodnika: tranzystory MOS, pamięci
EPROM, struktury CCD.
Struktury elementarne: MOS
tOX < 0.1 µm; NA = 1015 – 1016 cm-3
Struktury elementarne: MOS
•
•
•
•
•
•
uGS = 0 stan neutralny, pS = NA, nS znikome;
uGS < 0 – akumulacja, pS > NA;
uGS > 0 (małe), pS < NA;
uGS > 0 (większe), warstwa opróżniona;
uGS = Up > 0, nS = NA, próg inwersji;
uGS > Up, nS > NA, warstwa inwersyjna.
Struktury elementarne: MOS
Struktury elementarne: MOS
•
Napięcie progowe UP. Uwzględniając ФMS i
stany powierzchniowe (ładunek QP), mamy:
UP
MS
q
B
QP QB
COX
Struktury elementarne: MOS
B
B
•
2 VT
NA
ln
;
ni
0; QB
0;
COX
MS
OX
O
t OX
0; QP
UP zależy od domieszkowania i jakości
technologii (QP). Małe NA: UP < 0.
0
Struktury elementarne: MOS
• Pojemnośd bramka-podłoże:
CGS
COX C J
S
COX C J
Struktury elementarne: MOS
•
Dla uGS > UP warstwa inwersyjna:
swobodne elektrony. Efektywny ładunek
warstwy inwersyjnej (na jednostkę
powierzchni):
QI
(uGS
U P ) COX
Struktury elementarne: MOS
•
Możliwośd przepływu prądu. Regulacja
przez zmiany uGS. Zastosowanie: tranzystory
MOSFET.
• Możliwości przebicia izolatora przy dużym
uGS.
• UBR (SiO2): 600 – 1500 V na 1µm.
Diody
Diody w energoelektronice: przełączniki niesterowane.
Wykorzystanie asymetrii charakterystyki.
Dwie grupy:
- diody ze złączem p-n (krzemowym);
- diody Schottky’ego ze złączem M-S (typowo – metal
na krzemie).
W ostatnich latach nowa podgrupa diod Schottky’ego –
metal na węgliku krzemu SiC.
Diody
Główne różnice między diodami krzemowymi pn i M-S. Diody p-n: możliwe większe napięcia
dopuszczalne. M-S: szybsze przełączanie,
mniejszy spadek napięcia w stanie
przewodzenia (przy niezbyt dużych prądach).
Diody Si – trudno o połączenie dużej szybkości
przełączania i dużych napięd dopuszczalnych.
Diody
• Węglik krzemu SiC: krytyczne natężenie pola
kilkakrotnie większe niż w Si (poza tym inne
zalety ale bardzo trudna technologia).
Napięcia przebicia diod M-S (SiC) wyraźnie
większe niż diod M-S (Si). Diody M-S SiC –
połączenie szybkości przełączania i
wytrzymałości napięciowej nieosiągalne w
diodach krzemowych.
Diody
• Bardzo dużo odmian diod Si (p-n lub M-S);
niewiele (na razie) odmian diod SiC.
• Zakres dopuszczalnych prądów przewodzenia
od miliamperów do kiloamperów.
Dopuszczalne napięcia wsteczne od kilkudziesięciu V do kilku (a nawet kilkunastu) kV.
• W sprzedaży diody pojedyncze, podwójne lub
czwórki (mostki Graetza).