Post on 28-Feb-2019
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 6
Złożone struktury diod Schottky’ego mocy
● Diody JBS (Junction Barrier Schottky)
złącze blokujące na powierzchni krzemu
obniżenie krytycznego natężenia pola (Ubr ≈ 50 V)
złącza zabezpieczające PN Ubr ≈ 100…200 V dla Si i GaAs
● Diody MPS (Merged PIN-Schottky)
struktura PIN odpowiada również za przewodzenie przy wysokim natężeniu prądu
1 – PIN, 2 – SBD, 3 – JBS, 4 – MPS
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 7
Ładunek przejściowy diody PIN
● Konieczność usunięcia dużej liczby nośników nadmiarowych z całej bazy
● Ładunek przejściowy Qrr
min. 20 ns dla ultraszybkich do mC dla dużych sieciowych
Q stor=I Fτ
Q rr≈12i rr(m) t rr≈
12⋅t s∣d i f
d t ∣⋅t f
∝τ 2 , I F , d i F
d t
di r
dt=f N D ,W i
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 8
Ładunek pojemnościowy diody Schottky’ego
● Brak nośników nadmiarowych● Konieczność usunięcia swobodnych
nośników (o koncentracji ND) w celu wytworzenia obszaru ładunku przestrzennego o odpowiedniej szerokości (naładowania pojemności złączowej)
● Ładunek pojemnościowy Qc od pojedynczych nC
Q c=AN DW scU r=AN D 2ε U r
e N D
∝U r
U br∝N D−3/4 ⇒ N D∝U br
−4/3 ⇒ U br↗ Q c↗Imax∝A ⇒ Imax↗ Q c↗
PIN
SBD
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 9
Wpływ wyłączania diody na układ
● Moc czynna strat w diodzie
moc strat w sąsiednich przyrządach półprzewodnikowych
● Zakłócanie czujników prądu (zabezpieczenia, sterowanie)
● Emisja zaburzeń elektromagnetycznych stromość zaniku prądu dir/dt i powiązana z nią amplituda przenapięcia urr(m)
współczynnik łagodności wyłączania tf/tr● Dynamika wyłączania diod Schottky’ego jest pod każdym względem
korzystniejsza● Również załączanie jest korzystniejsze w przypadku diod Schottky’ego
mniejsza moc strat, gdyż trwa krócej i nie występuje początkowy odcinek ze znacząco podwyższonym spadkiem napięcia
PD,off=1T s
∫t rr
uD iD d t≈ 1T s
UD,off∫t rr
iD d t= f sQ rrUD,offIF
irr(m)
i
t0,25 irr(m)
trr
ts tfdiF/dt
diR/dtQrr
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 10
Zależność ładunku przejściowegood warunków pracy
● PIN – silna od IF (~liniowa)
● SBD – silna od UR (~√UR)
● od stromości diF/dt – dużo słabsza dla SBD
0 1 2 3 4 5 6 70
20
40
60
80
100
120
140
160
IF [A]
Qrr
[nC
]
0 50 100 150 200 250 300 3500
5
10
15
20
25
22020018016014012010080604020
UR [V]
Qc
[nC
]
dif/dt[A/µs]
[Miesner, thinQ!™ Silicon Carbide Schottky Diodes…]
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 11
Porównanie diod PIN i SBDpod względem wpływu parametrów wyłączania
UR = 300 V
PIN – MUR460; SBD – C3D04060A; Irat = 4 A, Urat = 600 V
IF = 3 A
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 12
Porównanie diod PIN i SBDpod względem wpływu parametrów wyłączania (cd.)
PIN MUR460 SBD C3D04060A
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 13
● Optoelektronika – diody przerwa bezpośrednia
▶ ok. 100x większa emisyjność
elektroluminescencyjne (niebieskie, fioletowe, białe, ultrafioletowe)
fotodiody laserowe (BluRay)
● Elektronika mocy przerwa pośrednia diody – komercyjne tranzystory, tyrystory –
badania elektronika wysokich
częstotliwości i wysokich temperatur
Materiały o szerokiej przerwie energetycznej
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 14
Parametry materiałów półprzewodnikowych
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 15
Parametry materiałów półprzewodnikowych (cd.)
● GaAs (oraz InP, GaP, GaN) – mała przewodność cieplna κ i twardość H● Diament – bardzo mała rozszerzalność cieplna α
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 16
Blokowanie napięcia
● Krytyczne natężenie pola elektrycznego (SiC ↑)
szczególnie ważne dla diod Schottky’ego
ε porównywalne● Prąd upływu (SiC ↓)
wynika z Wg (SiC ↑) θ ↗ Jr ↗ – słabiej dla SiC moc strat staje się
nieakceptowalna przy wyższym napięciu
J r∝n i2
n i=N cN v exp− W g
2k T
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 17
Blokowanie a przewodzenie
● Zalety SiC większa koncentracja domieszek
dla tej samej wytrzymałości co Si krótszy obszar słabo
domieszkowany mniejsza rezystancja w stanie
przewodzenia – szczególnie dla unipolarnych
[Miesner, thinQ!™ Silicon Carbide Schottky Diodes…]
U br=E brW i
2E br
W i=∣dEdx ∣=e N D
ε
R on (na jednostkę przekroju)=W i
e μ nN D=
4U br2
ε μ nE br3
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 18
Napięcie na złączu PN
● Dla większej przerwy energetycznej koncentracja półprzewodnika samoistnego ni jest mniejsza
● Większy spadek napięcia na złączu przy identycznym prądzie
SiC/Si ok. 2,5x● Wady tej nie będą miały
przyrządy bez złącza PN (na drodze prądu głównego)
SBD MOSFET MESFET JFET SIT
n i=N cN v exp− W g
2k T φ d=U tlnN DN A
n i2
U j=U tln pnx j⋅N D
n i2
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 19
Wytrzymałość prądowa
● Mniejsza (ok. 2x) ruchliwość i większy stosunek elektrony/dziury (6…7)
● Jednak większa (ok. 2x) prędkość nasycenia nośników
zbliżona ruchliwość maksymalna (przy silnym polu elektrycznym)
ważne w przyrządach MOS● Współczynnik rozszerzalności
cieplnej α bliski materiałom używanym w obudowach
● Przewodność cieplna κ większa od miedzi
n i=N cN v exp− W g
2k T ● Wpływ temperatury
kiedy ni > ND▶ złącza przestają być
asymetryczne▶ kończy się zdolność
odprowadzania ciepła 200…280 °C dla Si 800…900 °C dla SiC większa obciążalność prądowa mniejsza częstość uszkodzeń
Si GaAs SiC CTj(max) [°C] 150 200 400 700
Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 20
Struktura
● Politypy kryształu 3C (β) – sześcienna, blenda
cynkowa (podobnie jak GaAs) 4H, 6H (α) – heksagonalne cyfra oznacza liczbę warstw
składających się na pojedynczą komórkę
ok. 250 innych politypów● Nieizotropowość – heksagonalne
mniejsza dla 4H μ (ruchliwość) i ε są tensorami ruch nośników możliwy w
kierunku innym niż przyłożone pole elektryczne
napięcie przebicia
diament, Si – sześcienna, diament3C
4H
6H Materialscientist @ en.wikipedia