Elektronika Wysokotemperaturowa (HTE)dsod.p.lodz.pl/materials/HTE1_AZ0.pdf · 2017. 1. 20. ·...

WEEIiA E&T

Elektronika

Wysokotemperaturowa (HTE)

wykład 8 godz.

Prof. Zbigniew Lisik

pokój: 116

e-mail: [email protected]

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych

i Optoelektronicznych

Temperatura a Półprzewodniki

Podstawowe półprzewodniki HTE:

Si - krzem

GaAs - arsenek galu

SiC - węglik krzemu

GaN - azotek galu

C - diament

Część 1


Si

3D 2D

Si Si

Część 1

Struktura kryształu krzemu – tak zwana

struktura diamentu


SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

Część 1

Struktura kryształu krzemu – model 2D

Podstawy Fizyki Półprzewodników

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

SiSiSiSi

WC

WV

Wg = Wc - Wv

T > 0 K

Część 1

Struktura kryształu krzemu – model 2D

Elektron walencyjny uzyskując

odpowiednią energię opuszcza

wiązanie i staje się elektronem

swobodnym.

generacja pary

dziura-elektron


SiSiSiSi

SiSiGa-Si

SiAs+SiSi

SiSiSiSiWC

WV

WA

WD

Model energetyczny:

Część 1

Domieszki w krzemie T > 0K

Energia jonizacji domieszek

jest bardzo mała

Wi << Wg


Koncentracja domieszek w półprzewodniku

domieszkowanym

Typy półprzewodników

Na > Nd pp0 > np0 typ p

Na < Nd pn0 < nn0 typ n

Na = Nd p0 = n0 = ni typ i

Bilans ładunku:nd + Na + nT = pT + Nd + pa

n0 + Na = p0 + Nd

Część 1


Koncentracje elektronów i dziur:

kT

W-Wexp n

kT

W-Wexp n pn FFi

iFFi

i00

n pn 2

i00

Część 1

kT

Wexp

300

TB

kT

Wexp NN n

g

3

2g

VC

2

i

Koncentracja nośników w półprzewodniku

ni = f(T)

kT

W-Wexp N n FC

C0

kT

W-Wexp N p VF

V0


T

ni

p0

n0

TiTs

ln n0

ln p0

Typ n

WC

WV

WD

n0 = nd + nT

p0 = pT

Ts – Temperatura wyczerpania stanów

Ti – Temperatura przejścia w stan

samoistny

Część 1


domieszkowanym



domieszkowanym

T

ni

p

0

n0

TiTs

ln n0

ln p0

Typ n

Ts – temperatura wyczerpania stanów

Ti – temperatura przejścia w stan

samoistny

T

TiTs

ρ

Część 1


Ograniczenia termiczne

T

ni

p0

n0

TiTs

ln n0

ln p0

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

Część 1

Obszar zalecany


Warunek 2: jest prawdziwe kiedy Tmax mniejsze niż Ti.

Dla Si Tmax < 400 °C

Część 1

Ograniczenia termiczneJeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być



T

ni

p0

n0

TiTs

ln n0

ln p0

Obszar zalecany


Warunek 2: jest prawdziwe kiedy Tmax mniejsze niż Ti.

Dla 4H:SiC Tmax < 1000 °C

Część 1

Ograniczenia termiczneJeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być



T

ni

p0

n0

TiTs

ln n0

ln p0

Obszar zalecany


Typowe obszary definiowane w

katalogach dla przyrządów

krzemowych:

Zakres [C]

Komercyjny 0 – 70

Przemysłowy -25 – 85

Przemysłowy rozszerzony -40 – 125

Militarny -55 – 125

Część 1

Ograniczenia termiczne

T

ni

p0

n0

TiTs

ln n0

ln p0

Obszar zalecany

Warunek 3: jest prawdziwy kiedy Tmax nie powoduje wzrostu n0.

Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być




Sznurowanie prądu – hot spot

T

TiTs

ρQ

T

J

Ti

Część 1

Prąd jest wypychany z obszaru

cieplejszego i maleje lokalne

rozpraszanie ciepła

pastylka krzemowa

Obszar bezpieczny

Jeżeli T jest wewnątrz <Ts,Ti>, występuje ujemne cieplne

sprzężenie zwrotne:



T

TiTs

ρ

Jeżeli T jest wewnątrz <Ts,Ti>, występuje ujemne cieplne

sprzężenie zwrone:

Q

T

J

Część 1

Prąd jest wypychany z obszaru

cieplejszego i maleje lokalne


pastylka krzemowa

Obszar bezpieczny



T

TiTs

ρ

Prąd jest ściągany do obszaru

cieplejszego i rośnie lokalne


Q

T

J

Ti

Część 1

Jeżeli T jest poza <Ts,Ti>, występuje dodatnie cieplne


pastylka krzemowa

Obszar bezpieczny



T

TiTs

ρ

Obszar bezpieczny

Jeżeli T jest poza <Ts,Ti>, występuje dodatnie cieplne


Prąd jest ściskany do małego

obszaru i pojawia się „hot spot”

pastylka krzemowa

Q

T

J

Część 1

Co to jest HTE

Zakres [C]

Komercyjny 0 – 70

Przemysłowy -25 – 85

Rozszerzony Przemysłowy -40 – 125

Militarny -55 – 125

Temperatura pracy sprzętu elektronicznego, a w

szczególności przyrządów półprzewodnikowych, jest

parametrem, którego wartość musi być utrzymywana

w dopuszczalnym zakresie

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

Górny zakres dla temperatur powyżej 300

Obejmuje większość zastosowań i jest

rozwijany jako rozszerzenie rozwiązań

stosowanych w zakresie militarnym

Obejmuje ograniczoną ilość zastosowań,

wymaga nowych rozwiązań konstrukcyjnych,

nowych materiałów i nowych technologii

Część 2

Co to jest HTE

Temperatura1998 2003 2008

$ mln % $ mln % $ mln %

do 200 171.7 97 344.5 91 779.3 88

200 300 4.3 2 25.2 7 78.3 9

powyżej 300 1.2 1 7.1 2 29.5 3

Całkowite 177.2 100 378.8 100 887,1 100

Oszacowanie rynku HTE dla poszczególnych zakresów

temperaturowych (opracowanie z roku 2001)

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


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


Obszar Podwyższonej Temperatury

interface

sensor-electronic

s

sensor

process control

Obszar normalnej temperatury

WzmacniaczeKonwertery prąd/napięcieGeneratory pomiarowe

Czujniki temperaturyCzujniki przepływuCzujniki poziomyCzujniki ciśnienia Czujniki przyspieszenia

Przetwornik A/D

Architektura rozwiązania HTE

Część 2


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


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


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 systemodprowadzania 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


Przykład zastosowania

elektroniki HTE:

HTE moduł zawierający

miernik ciśnienia dla

zastosowań w odwiertach

Quartzdyne Inc,

Ta = 200 °CTechnologia 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, żedostępne rozwiązania uniemożliwiają utrzymanietemperatury wewnątrz ZM, jest koniecznezastosowanie rozwiązań HTE. Ma to miejsce gdy:

Lokalne gęstości rozpraszania ciepła przekraczają naturalne możliwości jego odprowadzenia

Odpowiednie systemy chłodzenia nie mogą być użyte

Część 2

0

5

10

15

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Gę

sto

ść s

tru

mie

nia

cie

pła

[W/c

m2]

Lata

IBM 360IBM 370 IBM 3033

Fujitsu M 380

Honywell DPS88

NEC LCMIBM 4381IBM 3081 TCM

CDC Cyber 205

IBM 3090 TCM

Fujitsu M780

NTTIBM 3090S TCM

Fujitsu VP2000

IBM ES9000

IBM RY3

IBM RY4

IBM RY6

IBM RY7

IBM RY5

IBM GP

Itanium 2

Pentium 4Xeon DP

POWER4

Core

Core 2 Duo

Core 2 Quad

Core 2 Extreme

Core i7

Bipolarna CMOS Multi


Kiedy rozpraszanie ciepła przekracza naturalne granice

Rosnąca ilość tranzystorów na powierzchni chip’uprowadzi do gęstości rozpraszania ciepła MW/cm3 (np. procesory)

Jedyny sposób zwiększenia strumienia ciepła

wzrost ΔT=Tj – Ta

HTE?

Część 2



Nowe struktury 3D IC zawierające kilka warstw z aktywnymi elementami, o dużym objętościowym

rozpraszaniu ciepła



Część 2



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

Część 2

http://www.compoundsemiconductor.net/articles/magazine/10/11/4/1/CSsic5%5F11%2D04

http://www.compoundsemiconductor.net/articles/magazine/10/11/4/1/CSsic5%5F11%2D04


Kiedy odpowiednie systemy chłodzenia nie mogą być użyte

Brak miejsca na wprowadzenie takich dodatkowych elementów polepszających chłodzenie jak np. radiator(np. w samolotach)

Jedyny sposób kompensaty gorszego chłodzenia


System nawigacyjny

Becker RN-3300

Część 2



Z uwagi na konstrukcję, rozwiązania wymuszonego chłodzenia nie mogą być użyte(zamknięte obszary bez możliwości wymianypowietrza)



Stacje bazowe i telefony komórkowe

Część 2



Urządzenie jest izolowane termicznie lub umieszczone w próżni (np. systemy umieszczone na orbicie lub w kosmosie)



MILSTAR (USA)

Wojskowy satelita komunikacyjny

Część 2

Testy niezawodnościowe

kT

aE exp C R(T)

• 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):

R(T) – Szybkość degradacji

Ea – energia aktywacji dla danego procesu

Część 3


to

a

o

t

T

1 -

T

1exp

k

Eexp

)R(T

)R(T

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:

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 3


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 3


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 3


Wzór Arrheniusa a niezawodność elementów HTE

Elementy elektroniczne HTE wymagają lepszych

technologii aby uzyskać

zadawalający poziom

niezawodności.

Jay Goetz, High Temperature Electronics for Sensor

Interface and Data Acquisition, Sensors Expo,1998

Wpływ efektu elektromigracji

na szybkość uszkodzeń

dane dla HTMOS IC

Honeywell

Część 3

Zastosowania w przemyśle

Zastosowania1998 2003 2008

$ mln % $ mln % $ mln %

Sprzęt lokowany w odwiertach 78,5 44 107,3 28 170,2 19

Aeronautyka 14,5 8 48,0 13 108,4 12

Automobilizm 78,3 44 204,8 54 561,3 64

Inne 5,9 3 18,7 5 47,2 5

Total 177,2 100 378,8 100 887,1 100

Oszacowanie rynku HTE wg. zastosowań

(opracowanie z roku 2001)

Część 3


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

Pożądane zakresy temperatur

Część 3


10 ÷ 30 °C/km

głębokość > 5 km

Typ zastosowania

Zakres

Temperatury

[C]

Odwierty naftowe i

gazowe

75- 225

Wstrzykiwanie pary 200-300

Odwierty geotermiczne 200-600

Zastosowania

w odwiertach

Przykłady zastosowań:

Część 3


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


ZastosowanieZakres

temperatury[C]

Przedział silnika -40 165

Na silniku i w przekładniach -40 165

Montowane na kołach -40 250

Komora silnika do 1000

Ilość części:

1990 – 150

2000 - 400

Zastosowania w

samochodach


Część 3


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.153-160Część 3


Awionika

ZastosowanieZakres

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


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


Procesy pzemysłowe

SP-100

Reaktor jądrowy na satelitach

375-425C

ZastosowanieZakres

temperatury

[C]

Gorące procesy do 600

Monitorowanie fluidów

do 1000

Monitorowanie płomienia

do 600


Część 3

Zastosowania w samochodach

Część 3

Przewidywane warunki pracy podzespołów


Część 3

Podzespoły blisko

silnika (120°C)

Podzespoły

oddalone od silnika

(105°C)

Przestrzeń pomiędzy silnikiem a

powierzchnią drogi (70°C)

Komponenty montowane przy

piastach kół (do 250°C)

Powierzchnia drogi

(40-60°C)

Olej silnikowy i przekładniowy (150°C)

Blok silnika (140°C)

Wydech (578°C)

Otoczenie alternatora (150°C)Otoczenie układu

zapłonowego (130°C)

Przykładowe temperatury w komorze silnika

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

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

Napęd hybrydowy

Układ sterowania silnikiem elektrycznym z

falownikiem

Toyota


Część 3

SiSiC

Falowniki

3-fazowy falownik (Mitsubishi Electric),Pwy - 11kW,

Uwe – 1,2 kV

(tranzystory SiC-MOSFET i diody SiC-Schottky)

Materiały półprzewodnikowe

Zakres

temperatur

[C]

Przerwa

zabroniona

Wg [eV]

Materiał

300 = 1.12 Si – SOI

300500 2.3 GaAs, InP, GaP

500 2.3SiC, C-diament

GaN, AlN, BN,

Wymagania materiałowe dla różnych

zakresów temperatur

Część 4

Materiały półprzewodnikowe

Półprzewodnik

1998 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

szerokopasmowe0,9 1 7,2 2 36,2 4

Razem 177,2 100 378,8 100 887,1 100

Ocena światowego rynku półprzewodników w

zastosowaniu do HTE

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:

● Poprawa ich parametrów wymaga modyfikacji

obwody analogowe – ca 150 C

obwody cyfrowe – ca 250 C

technologii CMOS i I2L – ca 150 °C

zastosowania technologii SOI – ca 300 °C

Część 4


Część 4

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

Tranzystory MOSFET



charakterystyki przejściowe

prąd nasycenia maleje z temperaturą

rezystancja Ron rośnie – ca. 70%/100C , a więc rosną straty

występuje termicznie stabilny punkt na charakterystyce wyjściowej

maleje transkonductancja

2N4351 Uds= const.


Część 4

Tranzystory MOSFET


charakterystyki przejściowe


prąd nasycenia maleje z temperaturą

rezystancja Ron rośnie – ca. 70%/100C , a więc rosną straty

maleje napięcie progowe – odpowiadaprądowi 1% prądu nasycenia drenu

maleje szybkość zmian prądu podprogowego drenu

ICL – podprogowy prąd upływu kanału

IDL – prąd upływu drenu


Część 4

Tranzystory MOSFET

Prąd upływu w standardowym

układzie scalonym NMOS

utratę efektywnej kontroli prądu drenu ID przez napięcie bramki

wystąpienie efektu luch-up pasożytniczej struktury p-n-p-nw wyniku oddziaływania z sąsiednimi tranzystorami w układzie CMOS

2kT

W-exp T I

g23

L ~

Prąd upływu rośnie exponencjalnie z temperatrurą powodując:



Silicon on Insulator - SOI

Krzem

Izolator

Profity:

• mniejszy prąd upływu

• mniejsza pojemność złączowa

• mniejsza pojemność pasożytnicza do podłoża

• temperatura pracy 300C, anawet więcej

Wymiary:

Warstwa aktywna Si 100-20 nm

Warstwa izolatora 400 nm

Warstwa podłoża Si setki m

Część 4


Część 4

Struktura SOI MOSFET

Struktura SOI ma mniejszy prąd

upływu o 2-4 rzędy dzięki:

Porównanie struktury MOSFET

standardowej (bulk) oraz SOI

brakowi dolnego złącza i prądu upływu do podłoża

wykonywanie tranzystorów w cienkiej warstwie aktywnej, co pozwalana ich wzajemna izolację (np. przez trencze SiO2)

zmniejszenie wymiarów wertykalnych złącz p-n dające 100x redukcję całkowitej powierzchni złącz (i ich prądu upływu)



Część 4

Struktura SOI MOSFET

Zmiany napięcia progowego

zachodzą z szybkością 2.5 mV/C w

NMOS oraz 3 mV/ C w PMOS

Zmiany napicia progowego w

tranzystorach NMOS i PMOS układu

CMOS

Konstrukcyjny limit temperatury – 300°C

Uzyskanie wysokiej temperatury pracy w układach wykonanych w technologii SOI wymaga wprowadzenia dodatkowych zmian w konstrukcji tranzystorów, podwyższających ich osiągi.


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

Część 4

Karborund – materiał ścierny

Podłoża 2’ i 3’

Monokryształ


SiC krystalizuje w różny sposób tworząc kryształy o różnych

własnościach. Są 3 podstawowe konfiguracje zawierające

wiele politypii:

• heksagonala 4H:SiC, 6H:SiC

Część 4

• kubiczna 4C:SiC

• romboedryczna 15R:SiC

a = b = c

= = = 90

a = b = c

= = = 90

a = c ≠ b

= = 90, = 120


Część 4

C

C

A

A

B

B

A

C

A

B

A

B

C

3C-SiC 4H-SiC 6H-SiC

A

B

C

Zasady tworzenia politypii

Istnieją 3 możliwe wzajemne

położenia atomów kolejnych

warstw:

A – warstwa bazowa

B i C – przesunięte względem

A


Część 4

Porównanie Si i politypii SiC

Parametr Si 6H-SiC 4H-SiC 3C-SiC

Przerwa energetyczna Wg [eV] 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


Część 4

Maksymalna prędkość

unoszenia nośników

2x

Przewodność cieplna

3x

Napięcie przebicia 10x

Przerwa zabroniona 3x

Punkt topnienia 2x

Parametry

półprzewodnika

(SiC/Si)

10 x (28-100ns)

Małe

rozmiary,

duża szybkość

Duża szybkość

10x

1/420 x (23mcm2)

Małe

rozmiary,

duża

efektywność

Duża gęstość prądu,

małe straty

(1/100) x

2,5 x (19,5kV)

Redukcja

ilości

elementów

Napięcie przebicia

10x

3 x (350oC)Proste

chłodzenie

Praca w wysokich

temperaturach

3x

Polepszenie

parametrów w

przyrządach testowych

(>1kV)

Efekty

eksploatacyjne

Spodziewana

poprawa

parametrów

przyrządu (SiC/Si)

Si vs SiC – co możemy uzyskać


Część 4

Anizotropia w SiC


Część 4

Aktualnie oferowane przyrządy z SiC

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

Diody Schottky’ego


Część 4



• 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



• Infineon


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



Prądy przewodzenia: 1-2-4-6-8-10-20 A




• CREE


Część 4

Aktualnie oferowane przyrzady z SiC


Prądy przewodzenia: 5-10-20 A

Typowe napięcie przewodzenia: 1.6 V



• CREE


Część 4



• CREE


Prądy przewodzenia: 10-25 A

Typowe napięcie przewodzenia: 1.8 V (25 °C)

3.2 V (175 °C)



Część 4



Prądy przewodzenia: 4-6-8-10 A




• ST Microelectronics


Część 4


• Sensitron

• Semelab Aerospaciale

Napięcie blokowania: 600-1200 V


Matryce z równolegle połączonych struktur 1mm2

Napięcie blokowania: 600-1200 V

Prądy przewodzenia: 4-8-10-20 A




Część 4


Tranzystory MESFET

• CREE

Napięcie dren-źródło UDSS : 120 V

Napięcie bramka źródło UGS : -20÷3 V

Częstotliwość : < 2,7 GHz


Moc wyjściowa: 10-60 W

Był usunięty z oferty –

obecnie dostępny, ale tylko jako struktura


Część 4


• Teledyne Scientific

poprzednio Rockwell Scientific

Moc wyjściowa : 25 W

Częstotliwość : < 1.5 GHz

Oferowany jako element wzmacniacza

mocy L1700

Tranzystory MESFET


Część 4


Tranzystory JFET

• SemiSouth Lab

Napięcie dren-źródło UDSS : 1200-1700 V

Prąd drenu ID : 17-30-4 A


Czas wyłączania toff : ≈ 30 ns


Maksymalna moc rozpraszana: 136-250-58 W

W obudowach microsscomponents Tmax 200 °C (przy selekcji 260°C)


Część 4


Tranzystory BJT

• TranSiC

Napięcie przebicia UCE0 : 1200 V

Prąd kolektora IC : 6-20 A

Czas przełączenia toff : ≈ 20-30 ns


Napięcie w stanie przewodzenia UCEsat: 1 V

TO-258

http://www.transic.com/images/pdf/BitSiC High Temperature rev-B.pdf

http://www.transic.com/images/pdf/BitSiC High Temperature rev-B.pdf


Część 4


Tranzystory MOSFET

• Powerex

Napięcie przebicia U(BR)DSS : 1200 V

Prąd drenu ID : 100 A



Maksymalna moc rozpraszana: 880 W

QJD1210006


Część 4

Lista

Elektronika Wysokotemperaturowa (HTE)dsod.p.lodz.pl/materials/HTE1_AZ0.pdf · 2017. 1. 20. ·...

Documents

Transcript of Elektronika Wysokotemperaturowa (HTE)dsod.p.lodz.pl/materials/HTE1_AZ0.pdf · 2017. 1. 20. ·...