Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy...

Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, studia niestacjonarne, zima 2018/19 24

Część 2

Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć

przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych


Półprzewodniki

● Materiały, w których obecności swobodnego elektronu towarzyszy obecność dziury, tj. brak elektronu w którymś z atomów

zarówno elektrony, jak i dziury mogą przemieszczać się w materiale ruch ładunku = przepływ prądu

● 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

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.


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


Złącze półprzewodnikowe spolaryzowanew kierunku zaporowym

● Zewnętrzne pole elektryczne ma kierunek wzmacniający pole wbudowane szerszy obszar ładunku

przestrzennego wyższa bariera

energetyczna trudniejsze

przenikanie nośników


Złącze półprzewodnikowe spolaryzowanew kierunku przewodzenia

● Zewnętrzne pole elektryczne ma kierunek osłabiający pole wbudowane węższy obszar ładunku

przestrzennego niższa bariera

energetyczna wstrzykiwanie

nośników przez barierę (e→P, h→N)


Złącze Schotky’ego (metal-półprzewodnik)

● Zależność U-I ma charakter identyczny jak dla złącza PN

● Bariera energetyczna zależy od użytego metalu i domieszkowania półprzewodnika

● Dąży się do uzyskania takiej bariery, by napięcie progowe było niższe niż złącza PN

J. Singh, www.eecs.umich.edu/~singh

Bariera potencjału złącz Schottky’ego φs


Obszar ładunku przestrzennego złącza przy polaryzacji zaporowej

Złącze asymetryczne – znacząco odmienne koncentracje domieszek w obszarze P i w obszarze N


Natężenie pola elektrycznego

Warstwa N− poza obszarem ładunku przestrzennego:

Warstwa N− w obszarze ładunku przestrzennego:

Prawo Poissona Definicja potencjału elektrycznego


Powielanie lawinowe

Elektronwygenerowany

termicznieAtom

Atom

Atom

Atom

Elektronypowielone

v = 0 v = vscat

E

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.


Przebicie lawinowe


Przekłucie struktury P+N−P – przebicie skrośne

Dziury z warstwy P są przenoszone przez pole elektryczne do warstwy P+, a więc istnieje ścieżka

przepływu prądu


Przekłucie struktury P+N−N+

Na elektrony pole elektryczne

działa w kierunku na zewnątrz

struktury, a więc przeciwdziała przewodzeniu

prądu


Napięcie przebicia skrośnego i napięcie przebicia lawinowego przyrządu z przekłuciem (PT)


Wytrzymałość napięciowa

Przyrząd bez przekłucia

Przyrząd z przekłuciemo tej samej koncentracji domieszek

Przyrząd z przekłuciemo mniejszej koncentracji domieszek

Przyrząd teoretyczny o zerowej koncentracji domieszek


Zależność wytrzymałości napięciowej od parametrów warstwy słabo domieszkowanej

Koncentracja domieszek i minimalna szerokość dla przyrządu bez przekłucia

10 100 1000100

1000

10000

bez przekłucia z przekłuciembez przekłucia z przekłuciembez przekłucia z przekłuciembez przekłucia z przekłuciem

WI / µm

Ub

r / V

ND = 3∙1014 cm−3

ND = 1∙1014 cm−3

ND = 3∙1013 cm−3

ND = 1∙1013 cm−3

1E+13 1E+14 1E+15100

1000

10000

ND / cm^-3

Ub

r / V

100 1000 1000010

100

1000

Ubr / V

WI,n

pt,m

in /

µm


Dryf nośników ładunku w polu elektrycznym

Gęstość prądu Ruchliwość

Równowaga termodynamiczna – brak wymiany nośników z sąsiednimi warstwami

Półprzewodnik typu N Półprzewodnik typu P


Prąd dryfowy

Warstwa N:

Konduktywność

Rezystywność

Ponieważ dla krzemu μp < μn, stosuje się raczej warstwy N niż P,

szczególnie gdy koncentracja domieszek musi być niska


Spadek potencjału (napięcie odkładane przez przepływający prąd)


Dyfuzja

Obojętność elektryczna


Prąd całkowity w obecności dyfuzji

Pierwsze prawo Ficka Równania dryftu-dyfuzji


Przewodnictwo bipolarne

Ambipolarne równanie dyfuzji


Rozwiązanie statycznego równania dyfuzji

● Koncentracja nośników jest tym większa, im: większa gęstość prądu J dłuższy czas życia nośników mniejszościowych τ


Modulacja konduktywności

● Składowa dryfowa prądu w warstwie N− przy przewodnictwie bipolarnym

● Podczas gdy 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 kompensuje wzrost odłożonego napięcia

towarzyszący wzrostowi prądu w ideale – całkowicie, w rzeczywistości – częściowo dodają się do tego spadki potencjału na złączach UJ, rosnące wraz z ∆p

przy czym ∆p ∝ Jdif – z rozwiązania równania dyfuzji


Spadek potencjału

Szeroka warstwa słabo domieszkowana (WN ≫ La)

Wąska warstwa słabo domieszkowana


Warstwa słabo domieszkowana przy przewodnictwie unipolarnym i bipolarnym

4,46 V

ND = 1014 cm−3 W

N = 100 µm τ = 1 µs

10 A/cm2: 0,064 V1 A/cm2: 0,058 V

przewodnictwo unipolarne przewodnictwo bipolarne

0,446 V


Składniki spadku potencjału na przyrządzieunipolarnym i bipolarnym

ND = 1014 cm−3 W

N = 100 µm

unipolarny: SBD – dioda Schottky’ego MN− Si+Al φB = 0,70 V

bipolarny: PIN – dioda PIN P+N−N+ Si NA = 1020 cm−3 φ

d = 0,81 V τ = 1 µs

0 0,5 1 1,5 2 2,5 30,1

1

10

100

SBD PIN

UF / V

IF /

A

0,1 1 10 1000,01

0,1

1

10

SBD MN− SBD N− SBD UFPIN P+N− PIN N− PIN N+N−PIN UF

IF / A

U /

V


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 często jest narzucony przez sterowanie

sterowanie polowe: w celu zwiększenia wytrzymałości prądowej, należy obniżyć gęstość prądu powiększając pole przekroju poprzecznego – większe pojemności pasożytnicze – dłuższe przełączanie


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

(rosnąca funkcja czasu życia τ, gęstości prądu i długości warstwy słabo domieszkowanej)

▶ nie zawsze możliwa 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

Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy...

Documents

Transcript of Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy...