Učinske poluvodičke komponente

1. UČINSKA ELEKTRONIKA Učinske poluvodičke komponente Temeljne poluvodičke strukture Pregled vrsta poluvodičkih ventila Dinamička svojstva poluvodičkih ventila Pobudni stupnjevi poluvodičkih ventila Zaštita poluvodičkih ventila osiguračima Osnove toplinskog proračuna poluvodičkih ventila Ak. god. 2012/2013 Zagreb, 1.2013.

2. Osnovne strukture poluvodičkih komponenata Poluvodičkih učinskih ventila ima oko pedeset različitih vrsta. Treba prepoznati da se unutar monokristala silicija (pravilne kristalne rešetke) javljaju kombinacije ovih šest osnovnih struktura.

3. Zapiranje i vođenje diodne strukture Dakle, P+-područje je anoda, a N+-područje katoda.

4. Uvjeti vođenja tiristorske strukture – I

5. Uvjeti vođenja tiristorske strukture – II Dakle, P-područje je anoda, N-područje je katoda, a P-područje do katode upravljačka elektroda (geit). PUT ili tiristor s N-upravljačkom elektrodom (engl. programmable unijunction transistor)

6. Hidraulička analogija diodne i tiristorske strukture Analogija diodne strukture Analogija tiristorske strukture Kada se jednom izvuče zapor, više se ne može zaustaviti tok.

7. Hidraulička analogija tranzistorske strukture Upotrebom relativno male sile, može se zaklopka staviti u bilo koji položaj.

8. Primjeri spajanja osnovnih poluvodičkih struktura Tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom (IGBT) sastavljen je od PNP tranzistorske strukture (P+N+ N-P), NPN tranzistorske strukture (N-PN+) i MOS strukture (metal - oksid - P-poluvodič). Ove strukture tvore klasični tiristor i MOSFET. 8

9. Učinska PIN dioda - struktura • Zanimljivo je da je već 1952. god. Hall (GE) izradio diodu strukturno jednaku današnjim učinskim diodama. • Tijekom razvojaj trebalo je riješiti dva ključna problema: • proboj na konturi i • mehaničko naprezanje sendviča zbog temperature 9

10. Učinska PIN dioda – proboj na konturi (problem) Probojni napon P+-Ns-N+ odnosno P+-Ps-N+ strukture K5

11. Učinska PIN dioda – proboj na konturi (rješenje) Godine 1962., zaslugom Daviesa i Gentryja (GE) definitivno je riješen problem jakog električnog polja na konturi. P+-Ns-N+ struktura s prinudnim lavinskim probojem (podaci: zaporni napon – 500 V, širina Ns područja - 50 m, koncentracija akceptora u P+ području – 71018 atoma/cm3. To su diode s tzv. prinudnim lavinskim probojem.

12. Učinska PIN dioda – mehanička naprezanja (problem) Bakar ima veći toplinski koeficijent rastezanja od molibdena, zato se u lemnom spoju javljaju mehanička naprezanja. Silicijeva pločica nije zalemljena za Mo-pločicu, a Mo-pločica nije zalemljena za Cu-bazu. Površine pločica klize jedna prema drugoj.

13. Učinska PIN dioda – mehanička naprezanja (rješenje: jednostrano hlađenje)

14. Učinska PIN dioda – mehanička naprezanja (rješenje: dvostrano hlađenje) 12.01.201.

15. Učinska PIN dioda – dinamičke karakteristike Dinamičke karakteristike opisuju prijelaz iz stanja zapiranja u stanje vođenja (uklapanje) i iz stanja vođenja u stanje zapiranja (isklapanje). U tehnici o gubicima uklapanja ne treba voditi računa, jer su redovito zanemarivi.

16. Učinska PIN dioda – dinamičke karakteristike Isklapanje a) U krugu nema induktivnosti I kod najvećih dioda isklapanje traje nekoliko mikrosekundi.

17. Učinska PIN dioda – dinamičke karakteristike b) U krugu postoji induktivnost Npr. ako je di/dt = 100 A/s, već na induktivitetu od 10 H nastaje prenapon od 1000 V. Što poduzeti? Prenapon na L zbraja se sa U

18. Učinska PIN dioda – dinamičke karakteristike Treba spojiti RC-član paralelno diodi: U diodnim ispravljačima jedan RC-član može istodobno štititi više dioda: 18

19. Učinska PIN dioda – dinamičke karakteristike Procjena gubitaka isklapanja Primjerice, ako je U = 1000 V, a Q = 50 μAs, onda je W = 0,05 Ws. Kod 50 Hz to je samo 2,5 W, a kod 1000 Hz to je već 50 W. Gubici isklapanja ograničuju upotrebu silicijskih dioda na višim frekvencijama. Sklopni gubici rastu linearno s frekvencijom!

20. Schottkyjeva dioda – načelo rada Simbol • Načelo rada • Elektroni u N-poluvodiču imaju manji rad izlaza od elektrona u metalu. • Elektroni iz N-poluvodiča prelaze u metal. • Metal postaje negativniji od poluvodiča.

21. Schottkyjeva dioda – načelo rada • Nastane potencijalna barijera (kao da je metal P-poluvodič). • Tok elektrona iz poluvodiča u metal jednak je toku elektrona iz metalau poluvodič. • Uočite da nisu u igri minoritetni (šupljine) nosioci naboja. To je bitna razlika između PN diode i Schottkyjeve diode. • Metalno područje je anodno područje.

22. Schottkyjeva dioda – silicijeva dioda Osnovna prednost pred silicijevom diodom: propusni pad napona je svega 0,3 – 0,4 V. Osnovna mana pred silicijevom diodom: probojni pad napona je samo 75-100 V. Pogodite gdje se upotrebljavaju. Danas postoje komercijalne Schottkyjeve diode na bazi silicij karbida (SiC). Odlikuju se probojnim naponom od oko 1000 V.

23. Klasični tiristor Tranzistorska analogija tiristora

24. Klasični tiristor Problem nejednolikog širenja vodljivog područja tijekom uklapanja Rješava se posebnim konstrukcijama geita (upravljačke elektrode)

25. Klasični tiristor Kod isklapanja tiristoru je potrebno osigurati dovoljno vrijeme odmaranja (veće od vremena oporavljanja) Naponsko-strujni odnosi tokom oporavljanja tiristora

26. Trijak Trijak ima složenu strukturu, nije tako pouzdan i ne koristi se kao u profesionalnoj primjeni. Primjer korištenja primjerice kod kućnih regulatora rasvjete.

27. GTO Obično su zaporna svojstva mala Geitom isklopivi tiristor (GTO) također ima složenu poluvodičku strukturu, izuzetno složen pobudni uređaj, te ga je danas gotovo u potpunosti istisnuo IGBT.

28. Izlazni stupanj impulsnog uređaja za okidanje tiristora U tiristore spadaju: inverzno nevodljivi tiristor (klasični tiristor: mrežni i frekvencijski), inverzno vodljivi tiristor, trijak i upravljačkom elektrodom isklopivi tiristor (GTO). Svi ovi tiristori imaju jednaku mikrostrukturu geita. Zato su zahtjevi na uklopni (okidni) impuls u načelu jednaki. Isklopnim impulsom GTO-a se ne ćemo baviti.

29. Izlazni stupanj impulsnog uređaja za okidanje tiristora U-I karakteristika geita i pripadne granične veličine

30. Izlazni stupanj impulsnog uređaja za okidanje tiristora Optimalni okidni impuls Okidni impuls karakterizira: brzina porasta, amplituda i trajanje. Definicija brzine porasta (strmine), amplitude i trajanja okidnog impulsa

31. Izlazni stupanj impulsnog uređaja za okidanje tiristora Trajanje okidnog impulsa Trajanje okidnog impulsa mora biti barem barem tako dugo dok se ne uspostavi mehanizam pozitivne povratne veze unutar strukture tiristora (nosioci naboja moraju ‘proputovati’ kroz središnje područje silicijske pločice). Odavde je očito da niskonaponski tiristori uklapaju brže od visokonaponskih. Na sigurnoj smo strani ako okidni impuls traje dulje od 50 μs. Trajanje okidnog impulsaponekad određuje i sklop u kojem se tiristor nalazi, primjerice kod usmjerivača u trofaznom mosnom spoju. Trajanje okidnog impulsa ponekad određuje trošilo, primjerice kod tiristorskog ispravljača u jednofaznom mosnom spoju za napajanje uzbude istosmjernog motora.

32. Izlazni stupanj impulsnog uređaja za okidanje tiristora Otklanjanje lažnih okidnih impulsa Jedna metoda smanjivanja napona smetnji u krugu geita

33. Učinski MOSFET (metal – oxide – semiconductor field effect transistor) MOS tranzistor s efektom polja Za učinsku elektroniku postao je značajan osamdesetih godina XX. stoljeća. Na tržištu se pojavio oko 1985. godine. Zamijenio je bipolarni tranzistor u primjenama u kojima se traže dobre sklopne karakteristike (što manji sklopni gubici). Ideja je stara. Još je 1934. god. ukazano (Heil) da se pomoću vanjskog električnog polja okomitog na površinu poluvodiča može upravljati strujom kroz poluvodič.

34. N-kanalni MOSFET (obogaćeni tip) može se ostvariti polisilicijem Odlike i mane: proizlaze iz njegove unipolarne prirode: umjerena naponska opteretivost i dobre sklopne karakteristike. Dvije posebnosti: omski kontakt uvoda spojen je na kanalno p-područje i metalna elektroda geita nalazi se iznad n-područja. No, o tome kasnije.

35. N-kanalni MOSFET (obogaćeni tip) uvodno područje kanalno područje driftno područje odvodno područje Simbol: n--područje je područje odvoda, n+-područje je područje uvoda, a strelica predstavlja kanalno p-područje. Strelica je spojena s uvodom, jer je kanalno područje spojeno s uvodom. Strelica je u smjeru propusne polarizacije p-n+ prijelaza.

36. Još o strukturi Uvod i odvod su na nasuprotnim stranama silicijeve pločice. Tako su postignute najveće moguće površine metalnih kontakata uvoda i odvoda. Ova struktura se naziva VDMOS struktura (vertical diffused MOSFET). Naziv je u vezi s tehnološkim procesom proizvodnje.

37. Tehnološki proces proizvodnje • podloga je n+-silicijska pločica (područje odvoda), • epitaksijalnim rastom na podlozi dobije se n–-područje (driftno područje) željene debljine, • prvom difuzijom kroz nemaskirana područja sa strane uvoda dobije se p-područje (kanalno područje), • drugom difuzijom kroz nemaskirana područja sa strane uvoda dobije se n+-područje (područje uvoda), • metalizacijom se dobiju omski kontakti uvoda, odvoda i geita.

38. Karakteristike na temelju strukture Metalni kontakti uvoda i odvoda su isprepleteni (gledajući sa strane uvoda). uvod (rupa) uvod Tako je postignut najveći mogući presjek kanala, tj. opseg geita (opseg geita jednak je opsegu jednog elementarnog geita pomnoženim s brojem elementarnih ćelija). Na bazi rasporeda a) International Rectifier je konstruirao svoj učinski MOSFET, komercijalno nazvan HEXFET.

39. Karakteristike na temelju strukture Struktura MOSFET-a sadrži parazitni bipolarni tranzistor (BJT) i tzv. ugrađenu diodu. Parazitni tranzistor je svojstven strukturi MOSFET-a (ne može se izbjeći). On ne smije uklopiti. Zato je njegov emiter kratko spojen s bazom. No, stvorena je parazitna (tzv. ugrađena) dioda. Dakle, učinski MOSFET nema zapornih svojstava, on u inverznom smjeru vodi struju. Parazitna dioda može se iskoristiti u sklopovima autonomnih izmjenjivača.

40. Karakteristike na temelju strukture Za svojstvo blokiranja odgovoran je p-n– prijelaz. Očito, kanal je to dulji što je veći probojni blokirni napon. n–-područje mora biti dovoljno slabo dopirano da bi se zona prostornog naboja mogla nesmetano širiti.

41. Karakteristike na temelju strukture Prekrivanjem n–-područja metalnom elektrodom geita smanjena je jakost električnog polja na rubu p-n– prijelaza.

42. Karakteristike na temelju strukture Obogaćeni ili akumulirani sloj (engl. Accumulation layer)? Prekrivanjem n–-područja dobiveno je još jedno dobro svojstvo strukture: povećana vodljivost n–-područja (n–-područje naziva se driftno područje). Ispod SiO2 stvoren je akumulacijski sloj, te je povećana vodljivost driftnog područja (smanjen je pad napona u stanju vođenja).

43. U-I karakteristike (izlazne karakteristike) MOSFET (n-kanalni) bipolarni tranzistor (NPN) Uvod S je obično zajednički ulaznom i izlaznom krugu.

44. Područja rada MOSFET-a Podsjetimo se. Kod bipolarnog tranzistora područja rada su: područje zasićenja, aktivno područje i blokirno područje. Dakle, otporno područje analogno je području zasićenja. Aktivno područje nekad se nazivalo i pentodno područje.

45. ID - UGS karakteristika (prijenosna karakteristika) Uočite da iznad tzv. napona praga VGS(th) struja odvoda naglo raste.

46. Fizikalno objašnjenje napona praga Ponovite iz elektronike kako nastaje inverzioni sloj. Ovdje je dovoljno znati da inverzioni sloj nastaje kod određenog napona i da se taj napon naziva napon praga. Kod učinskog MOSFET-a napon praga iznosi nekoliko volti. Napon praga, iako ovisi o nizu čimbenika, može se po volji podešavati.

47. Fizikalno objašnjenje napona praga MOSFET je u stanju blokiranja, ako je: U stanju blokiranja napon napajanja mora biti manji od probojnog napona BVDSS. Ako dođe do proboja, radi se o lavinskom proboju (zašto?). MOSFET je u otpornom području, ako je: Ova jednadžba postaje očita ako se napiše ovako: To je uvjet postojanja inverzionog sloja na desnom kraju kanala. Širina inverzionog sloja opada od uvoda S prema odvodu D.

48. Fizikalno objašnjenje napona praga UCS(x) = pad napona duž kanala (napon između neke točke u kanalu i uvoda.

49. Ponavljanje

50. Granica između otpornog i aktivnog područja U aktivnom području struja odvoda ovisi samo o naponu UGS. Približno vrijedi (samo kod malih struja ID): Konstanta K ovisi o geometriji strukture.Na granici otpornog i aktivnog područja je: pa je: To je jednadžba razgraničenja otpornog i aktivnog područja. Zgodno ju je zapamtiti.