, n f l T K 4 . I N F O B M A T I C i , E L E C T R O N I C A

y k s AH E lM A N A G E M E N T

ral

1$ h 9 m

i

Uf

M

i

j/ f g: ,*&* fauditr "^ -! produciei. Sfsfeiae d execui, * (.1 I tO*fft de f%eeu/e4.. l'Mftat t JMifirw'fearrU M m * TiAtMM i prgrtk* Mtaloare cu comutai1 forat. Mftm. Tirt*i*re ki p tm M Mutstearr cu cojuta}ie de fa reea

| l : Atth*r.i;*area cujscarelo.r inthisriaie ftpntibt AanmaiiS Aplicai I ediia i f a Il-a j), au-m-'*i, AtHRrafinn* prmrikir Irkw biin n industria lemnului f. H, trntU Vtu%*t$B Maten tiinifici ie ramurile industriei Mtfmmd. Tetaiu-r* l*eiri&9t n cu larij , J StmmrHt, J 'igtt-ai -4 . w lnMiuntiti)i> d rc tm ic i tn fizica onclta il

r-- iwfiA'.. (upat'flaf ifi powif in construcii i r .maini Sx tU i i, />. k '/i ( trnfai h l-femivc atijomat". Srsirmr de comutaie f . i'Wte i j . T n u W N tt n efect de cpp 1/ A. ftottthun radinftrceptoarelarf , Attm ijiu , M //... C?i;l peani controlai statistic al calitii produciei V &MSm j. t . Triuuca liaaginii ia cinematografie A televiziune f . Wurnm, f i r i t a'tn jjUtawrn temperaturii in tehnici t . } ?** *4, P. Mihmim, W ta iun debitului ia tehnici P. r M t, H m k i nivelslu ia tehnica

JMm, P /w frcwitcttilirij Stadiul muncii, val. I VIII 'ff toriim, f CakuJatorul FELIX C-256, Structur i programare i . M ifrn in ifttin Oi ( M i r integrate TT l I . CMt9fnl de r jliuir prraru rrai^trii

A. U. bvbtwm f *. Ciltjtrt d pfoiiase de programareP, wtWjitwiK ii Sislfifie mfoimatke, modele ale conducerii i sis temelor condusef . S, ujJ*. CaiidueeJt'a moderna a produciei, d . 1 i IIA, V&fwai f i IHspoxttlv emfcoadocto&re. Manual de utilizareA. A M i IteWiiM voHtmule.i i calitii lichidelor ta industrieCt. Jmm, Dnugo Mttode i piteai , W |.t, Eisfcira?rj iDioduf rea iitiemelor informaticeC Wtm, Asaiiia d jiiturttarea circuitelor iafurmatoaale in uait&ile economiceA. 'WfHfW f u (mute integrate liniare Manuale de utilitare, voi, 1, 2, 3 i 4M- SiM tim ;n k t in t de Iclrtiioair n..

M. RODEA (coordonator) A. SILARD E. POPA P.A. DANM. UD REA-SPEJVEAIV. IOSIF

Contribuia afonlor la elaborarea volumului I : MS w. M crxtfiiuatur f -mg. IK i (M\ fitir. in*. V. IOSIF introduire, cap. 1,31 t, tag. A . $ M B m p . ou excepia 2 J .7 Ir , S fif. n ill Z f W I ~ f 2-1.7teg. K. W . l i ing. !. I W H E A - S P E . V H 4 ______________

( 'p r in s | Volum ul I : Perform ane

JHtfmlA

imtrcducerc

f t

U

Wmpttolul 1 - FAMILIILE DE DIODE I TIR1STOU1E CARE SE FABRIC* LA IPHS RNEA SA

1.1. Clasificarea diodelor l tlrtstoarelor de putere produse Ia }PRS~BSEASA \ 1%1.2 Caracteristicile principale ale diodelor i tir b oare lor de putere produse tfc

1PRSB X E A S A ................... ... . . . . . . . * 2*Bibliografie 28

mmpitolul 2 - PR1XC1P1I ALE FIJiCIOIfRII DIODELOR I URTOARELOR DE PT TERH

3.1.

3 2 .

3 1.

1 11.1.3,6.>?.a.*.

A. DIODE

kleaai2.1.3.2.1.4.2.1.5.2. 1. 6. 2.1.7.

Principii generale de funcionare , . .2.1.1. Consideraii generale . . . . . >12.1-2. Caracteristica curent (/) tensiune

MEkct roiatica jonciunii pn . . , . . V - ^Jonciunea pn la polarizare invers . . . -Jonciunea pn la polarizare direct. . . . . . .Strpungerea jonciunii p n ..................................

|junciuri liniar-gradate l difuzate . . . . . . .2.1.8. Comportarea tranzitorie u diodei. Timpi de comutare2.1.0. Puterea disipat fn starea de conduc? >e rtim-M . . .2.1.10 Caracteristica ( i ) (V) la nivele mart de injecie . \2.1.11 Schema echivalenta a diodei . . . . . . . . ' iStructuri de baz . . . . . . . . . . .2.2.1. Consideraii generale '2.2.2. Inele de etmp (gard) . . . . . , . *2.2.3. Conturarea mecanic a suprafeelor . HBM2.2.4. Conturarea suprafeelor prin corwdareTipuri d

2.9. Amorsri parazite . . .............................................................................2.9.J. Amorsarea prin efectul do/dt.............................................................. ....... * '*H2.9.2. Amorsarea prin efectul creterii temperaturii . . . . * * | - * * *-

2.10. Efectul di/dl ..................................................................2.10.1. Esena fenomenului.......................................................................... ...... * *2.10.2. Modaliti de mbuntire a capabili tatii In d i/ d i .......i* * * -H

2 l . Modaliti de comutare n starea de b lo ca re ............................................. * * 12.11.1. Blocarea prin scderea curentului anodic sub valoarea /// . . - * f*2.11.2. Blocarea prin aplicarea tensiunii inverse anod-catod . . . * 2.11.3. Blocarea pe poart .......................................................................*

2.32. Comportamentul dinamic al tiristoarelor..................................... r2.12.1. Comportamentul dinamic al tiristoarelor la amorsare.............. ^2.12.2. Comportamentul dinamic al tiristoarelor la blocare ............................. j

2-13. Limitri In frecven i putere.............................................................................. ^2.13.1. Limita teoretic a frecvenei de lucru..................................................... i

: 2.13.2. Limitri n putere n regim staionar. Rezistena termic . . . - - o 1?*2.13.3. Limitri n regimul electrotermic tranzitoriu. Impedana termic . . .

, 2.13.4. Regimul de suprasarcin ......................................................................... _ 2.13.5. Regimuri recurente i nerecurente. Sumar pentru u tiliza tor....................

2.13.6. Relaia dintre capabilitatea n putere i timpul de blocare % .............. *222.14. Modaliti de micorare a timpilor de revenire/blocare . ................................. aHI

2.14.1. Modaliti tehnologice................................................................................ *24/2.14.2. Modaliti de circuit pentru micorarea timpului de blocare. Tiristoare cu

blocare asistat de p o a r t .......................................................................2.15. Tipuri de tiristoare...............................................................................................2.16. Tiristoare de comutaie pentru frecvene ridicate . ...........................................

2.16.1. Tiristorul asimetric .................................................................................2.16.2. Tiristorul cu conducie invers .................................................................

%A7. Optotiristorul................................................................... ... ...............................2.18. Tiristoare cu blocare pe poart (GTO) ..................................................2:19. D a c u l ................... .... ........................................................................................ ***2;20 T r ia c u l ............................... ..................................................................................2.21. Tiristorul cu inducie static (tiristorul controlat de cimp) . . . . *542.^2. Tipuri avansate de t ir is toa re ............................................... ......................... ***

C. DISPOZITIVE AUXILIARE

2,33. Diode electroluminescente ( L E D ) ........................................... . .........................2.24. Optocuploare........................................................................................................2.25. Tranzistoare unijonciune ( T U J ) ........................................................ ... 1672.26. Tranzistoare unijonciune programabile.............. ..................................................2.27. Dispozitive auxiliare de comutaie cu structura p n p n .................................... ... 'Bibliografie....................................................................................................................... 174

QapUolul 3 - TEHNOLOGIA DE FABRICAIE3.1. Procesarea monocristalului de s ilic iu ............................. ... ....................................3.2. Realizarea structurilor..........................................................................................

3.2.1. Formarea straturilor de tip p i n .......................................................... 3.2.2. Realizarea structurilor rapide i de c o m u ta ie .....................................................

jjtft. 3.2.3. Realizarea contactelor ohmice pe suprafeele electrozilor principali sau de || comand..................................................................................................... 101

/ . 3.2.4. Separarea i pasivarea structurilor semiconductoare ................... 1S22L3. ncapsularea ................................... . ..............................................................3.4. Proteciile ch im ice.........................................................................................3.5. Sortarea i marcarea......................... .......................... 201Bibliografie....................................................... .......................................................

Otpiiolul 4 VALORI LIMIT ABSOLUT I VALORI CARACTERISTICE

Semnificaii............................................................................. ...................... i03Documeaie normativa si informative . , . .................. ... . , 20$'--

4.1.3. Sisteme de valori limit absolut ............................................................ 2#&;A 4.1.3. Valori caracteristice . , . ......................................................................... 20?4 2 Sistemul valorilor limit absolut pentru dispozitive semiconductoare de putere 2Q&

4 2.1. Valori limit absolut m e ca n ice .. . . Y , . . . '3^ 1$4..2. Valori limit absint* climatice . . . . . . . . . . . . * ^

I

4 ,J , V tle fi In H i abdlBl tenplff ............................... 2124-2.4. Vaieri Urnit abhitl electrice............................ ................ 214

4,31- |jfc(rrs{ ici eJBetrfee i efsiiee........................................................ . . . . . jH4.3*1 Caracteristici electrice tn regim de Mm w ............................................ *>>*4-3.2. Carnetersiei eiectrire ta reeim de conduct ................................. . -g4,3.3. Caracteristici efectrice In regim da comutare din blocare tn coodnctfe -3\4.3.4 Caracteristici electrice kt regim d* comutat ie din conduct tn blocare . 2344-3-4. Caracteristici electrice tn regim da a va lan $4 (s tab iliza re )..................... 23#4.3.8. Caracteristici efectrice da poarta . 2424.5.7. Caracteristici t e rm ic e .................. ... ................................................ 244

1.4. Caracteristici de fiabilitate......................... ... ................. 24*4.4.1. Carweteristi! generale de fiabilitate ..................................... 2484.4.2. Proiectarea l asigurare fiab ilit ii............................ ... 2514.4.3. Programe de selecie , . ................. ..................... ... ......................... 25$

4.5, Mecanisme de defectare......................................................................................... 2534.5.1. Defectarea la suprasarcini de curent n conducie tn d ir e c t ... 26414.5.2. Defectarea la suprasarcini de tensiune fl suprasarcini de putere tn str

pungere 2554.5.3. Defectarea la temperaturi excesive. Ambalarea termic ......................... 25?4.5.4. Oboseala termici. Degradarea contactelor............................................. 2604.5.5. Degradarea p as iv ir ii.................................................................................. 2614.5.6. Ptrunderea a p e i ...................................................................................... 2634.5.7. Coroziunea capsu le lo r............................................................................. 26414.5-6. Degradarea elementelor constitutive........................................................ 2644.5.9. Defectarea la solicitri m ecan ice ............................................................. 2654.5.10 Degradarea la ra d ia ii.............................................................................. 2674.5.11- Defectarea ia di/d/................................................................................... 2684.5.12. Defectarea prin dr/d/ la tiristoare ........................................................ 2584.5.13 Instabilitatea tensiunii de s ta b iliza re ....................................................... 268

4.6. Cum se alege un dispozitiv semiconductor de putere ................................... 2694.6.1. Criterii de alegere ................................................................................... 2694.6.2. Calculul ncrcrii n p u t e r e ..................................................................... 2704.6.3. Alegerea capabilitii de b lo c a r e .............................................................. 2714.6.4. Calculul ncrcrii In c u r e n t ..................................................................... 271

Bibliografie ........................................................................................................................ 290

Cmpiiolut 5 MSURAREA l VERIFICAREA CARACTERISTICILOR

.i. Verificarea caracteristicilor m ecanice..................................................................... 292Verificarea caracteristicilor c lim a tice ..................................................................... 293

i-3. Msurarea l verificarea caracteristicilor e le c tr ic e ............................................... 29315.3.1. Msurarea i verificarea caracteristicilor n regim de conducie . . . . 2945.3.2. Msurarea i verificarea caracteristicilor In regim de blocare i...... polari

zare in v e r s 2985.3.3. Msurarea i verificarea caracteristicilor regimului de comutaie din blo

care in conducie ......................................................................................... 2995.3.4. Msurarea i verificarea caracteristicilor regimului de comutaie din con

ducie n b lo c a r e ....................................................... ................................ 3015.3*5. Msurarea i verificarea caracteristicilor n regim de avalan (stabilizare) 3055.3.6. Msurarea i verificarea caracteristicilor electrice de p o a r t .......................... 3085.3.7. Msararea caracteristicilor electrice cu trasorul de caracteristici . . . . 308

i-4. Msurarea caracteristicilor te rm ice ......................................................................... 314Verificarea caracteristicilor funcionale i ie and uran .................................... . 3175-5.1. ncercarea In regim de redresare ........................................................... 318M -2. ncercarea de oboseala termic .................................................................. 319

11 8-5-3. ncercarea de blocare la c a ld .................................................................. ... 3+9*5.4. ncercarea de stocare la c a ld ......................................................... ... . 319$.5.5. ncercarea de funcionare In regim de stabilizare . . ............................ 3195.5.6. ncercri de funcionare n circuite speciale de t e s t .......................... 320

&& Verificarea fiabilitii - . . ...................... ............................................................... 320

Cuprins Volumul II Aplicaii

*pttolul 6 ~ ( 0\FGIH \j'II TIPICE DE APUCAII

i f . Generalilii6.2. Convertoare eu comutaie nu tura U

6.2.1. Red^soare cu dtod?.6.2.2. Con veioare cu resfiaj de fazi$.2.3 Convertoare cu fuackmare tu 4 cadran.4.2 4 CjHoen*vertpare M** GTO. Meninerea impulsului de coma a d i.Sap7J>2 . Si^tt^rea GTO

%%% Ciecmtf 4e Atingere p r paar ti.H4 < fAHwetpm ia gratiei a Urt(Mrlor,

7.4.1, Cra'lJfiK-'i dina mu-* de aruonars. Tensiunea da prag la amorsare (mH b-

psy' 'p* '#&**")7,4.2 fiUoamici l ttici a curentului.7.4.#. ftod & echilibrare * curenilor

7,6, C*>.?

7.6.2. Efectul Initrzwrii la iBonart i al sarcinii stocate asupra rfW f3W ti dinamice de tensiune.

7.5-3. Metode de egalizare static |i dinamic a tensiunilor.7.6. Protecia la supratensiuni.

7.6.1. Generarea supratensiunilor In eimtitele eu t mi oare.7.6-2. Circuite de protecie la supratensiuni. Protecia individual p gk>biA.7-6.3. Limitarea pantei de cretere a tensiunii de blocare.7.6.4, Dispozitive de protecie la supratensiuni. Limite de ntiUzare.

7.7. Protecia la supraeurent.7.7.1. Protecia la supraeurent de durat, previzibil.7.7.2. Protecia la scurtcircuit.

7.8. Rcirea dispozitivelor semiconductoare de putere.7.8.1. Metode i sisteme de rcire. Rcirea unilateral i bilaterali,7.8.2. Rcirea cu aer. Tuburi termice.7.8.3. Rcirea cu lichid.7.8.4. Alegerea sistemului optim de rcire pentru o aplicaie dat.7.8.5. Calculul rcirii n diverse regimuri de funcionare,

f . 8 . Montarea pe radiator a dispozitivelor semiconductoare de putere.7.9.1, Montarea componentelor de medie putere.

Montarea componentelor ncapsulate in capsul cu urub,Montarea componentelor feaeapsula te tn capsul cu baza plat.Montarea componentelor ncapsulate n capsul disc.

7.9.2.7.9.3.7.9.4.

Mtbtografie

mmpttolul 8 - CIRCUITE DE COMAND PE POART

8 . 1.8.2.8.1.

8.4.

Funciunile circuitelor da comand.Circuite discrete pentru comanda tbfetoarelor i triacelor.Circuite de comand pentru tiristoarele cu blocare pe poart (G TO).8.3.1. Introducere-8.3.2. Exemple de circuite de comand.Circuite integrate pentru comanda Urtoarelor i triacelor.

mm

8.4.1.8.4.2.8.4.3.8.4.4.8.4.5.8.4.6.

Introducere. i I fit/ 217 Circuit pentru comanda prin zero a triatelor.(3 L 120 Circuit pentru comanda In faz a triacelor/tiristcarelorpL 121 Circuit pentru comanda prin zero a triacelor/tb'istoarelor.\TDA 1085 Procesor bipolar pentru controlul turaiei matoareiar de fc,a,

_JpAA 145 Circuit pentru comanda In Jaz a tirt oarelor.8 .1. Sistem de comand i reglare tip SCS F ~ 0 i Bibliografie

6 a pi toiul 9 - MODULE9.1. Definirea i componena una) modul.9.2. Clasificarea modulelor.9.3. Module de medie putem.

9.3.1. Sistem de evacuare a c!durii pentru moduW da medie pute.9.3.2, Sisteme de protecia la suprasarcini., 9-3.3. Sisteme de comand, ^9.3.4. 0tod i tirlstoare montate pe radiator pbc.9.3.5. .Modul de medie patere cu radiator de-isp &9.3.6. Module de nadie petei*. radiatoare 4809 3,7. Module de medie patera eu radii.oare de Mp9 .it Modtole da media patera m paoet scdfetn.9.3#; Puni redres^ent .ieelrtBli di^fnedlepSefiifr;V : . i i. Puni retire-Kar trtt&a#ie* pcatm alternata*- 9.3.11, muttrMuri diod d*. ucisal* pettif# *tltrB*ttiarr*woModale9.4

9 Ide putere

ttadute da mar

A **m :i : < *

P R E F A

Folosirea la performane tot mai riduatf i n condiii de fiabilitate crescut a diodelor i tiristoarelor de putere n echipamentele moderne impune cunoaterea aprofundat a caracteristicilor i problemelor speHfice de utili zare ale acestora.

J/anualul de fa se constituie ntr-un ndrumar necesar i util pentru .mi implicai in proiectarea, producerea i exploatarea echipamenldvr i instalaiilor dotatei cu diode $v tiristoare de putere.

Manualul de utilizare de diode i tiristoare de putere este structurai m dou volume i ( I ) Performane i (11) Aplicaii.

Capitolul 1 i i propune sa ofere utilizatorului un ghid sintetic amtpra, tipurilor de diode i tiristoare de putere fabricate la IP R S -B N E A HA, absolut necesar n stabilirea unor opiuni fie pentru introducerea unor componente ntr-un nou proiect, fie pentru echivalarea unor componente etr.

Materialul prezentat n acest capitol d i o im agine att asupra nivelului ridicai al performanelor ct si asupra competitivitii diodelor i tiris- ioarelor de putere fabricate de I P RS- B N EA S A .

n capitolul 2 ne trec n revist principiile funcionrii diodelor i iiristoarelor de putere. Tratarea urmrete ntr-un mod accesibil, eliberai de consirngeri teoretice excesive punerea n eviden a fenomenelor fizice majore care stau la baza funcionrii i a legturii lor cu parametrii din foaia de catalog, legtur cu un puternic caracter biunivoc. i t i Capitolul 3 permite cititorului s arunce o privire asupra tehnologiei de fabricaie. Domeniu de mare specializare, tehnologia de fabricaie a componentelor semiconductoare este totodat i un loc al concentrrii unor remarcabile eforturi tiinifice i tehnice din variate domenii, avnd un puternic caracter interdisciplinar. Acest capitol d o imagine desigur simplificat, dar redus la esen, a eforturilor extraordinare pe care le acoper cu umbra ei o banal specificaie de catalog.

Valorile lim it absolut i valorile caracteristice fac obiectul capitolului 4. Un accent deosebit s-a pus n acest capitol pe mecanismele de defectarer deoarece nelegerea acestor mecanisme constituie pentru orice utilizator >? etap esenial n folosirea unui dispozitiv semiconductor i o premis a stabilirii dialogului cu fabricantul, in ncheierea capitolului se prezint ceva din problemele de care trebuie s in seama fiecare utilizator atunci cnd pentru o aplicaie dat i alege un dispozitiv semiconductor de putere#

Volumul I se ncheie cu capitolul 5, consacrat descrierii metodelor i principiilor de msurare i verificare a caracteristicilor. D in nou trebuie remarcat faptul c numai prin cunoaterea acestor princip ii i metode datele 11 mtedc capto semnificaie real. Dat fiind relativa simplitate a metode- lor, demrise n acest capitol cititorul un trebuie s rmn a#- idem c ele ||heaz problema testrii dispozitivelor semiconductoare de putere, testare

realizeaz tn linia de fabricaie pe instalai specifice, automate, f f > bust* productivitate.

l

Materialul nremniat f capitolele 4 i 5 oonstituie minimul necesar

Volumul I I se deschide cu o prezentare ou un caracter tutorial a figuraiilor tipice de aplicaii (capitolul 6) fw oare i gsesc utiliz Modele i tiristoarele de putere.

GapUdul 7 Probleme critice n utilizare este un rezultat neobinuit, dar *tt neateptat) care integreaz experiena de asisten tehM practicat curent la I P RS- B N EA SA .

n capitolul 8 se abordeaz problema circuitelor de comand pe poarta M Im afara descrierii unor circuite discrete tipioey o pondere nsemnat en acordat familiei de circuite integrate specializate pentru comanda tiristow+M lor i triaodor produs de IP R S -B N E A S A .

Capitolul 9 prezint performanele i caracteristicile modulelor de puteri j fabricate de IPR S -B N E A S A , module care oonstituie fr nici o ndoialio soluie performant tehnic i eficient economic.

Acest manual de utilizare este rezultatul efortului unui colectiv de autori, 3 specialiti de la IPR S -B N E A S A i cadre didactice de la Institutul Poli- { tehnic Bucureti, care au interacionat puternic n vederea sistematizrii i nchegrii unui mare volum de informaii actuale, de ncredere, minuios i verificate.

Apariia acestui manual de utilizare marcheaz atingerea unui nivel 1 de dezvoltare a produciei de dispozitive semiconductoare de putere car aderi- 1 *at prin competivitate, performan i desohidere spre nou.

Autorii sper ca aceast lucrare s se nscrie ca o nou etap n dialo- | fu l devenit tradiional ntre productorii i utilizatorii de componente electro- 1 Mae i in s mulumeasc Editurii Tehnice pentru permanenta preocupare i i a ncuraja i de a dezvolta acest dialog.

I I mari* 1989 AUTOfiH

INTRODUCERE

Dac producerea in cantiti suficiente a energiei este cheia de bolti a dezvoltrii economice moderne, prelucrarea i transformarea energiei electrice n cadrul nenumratelor aplicaii diferite reprezint o problem de importan nu mai puin recunoscut. Confruntai cu dubla criz a energiei i a materiilor prime, oamenii s-au strduit s construiasc instalaii cit mai compacte i s piard ct mai puin energie n procesul de prelucrare. Supleea i simplitatea sistemelor automate conduse prin mijloace de calcul electronic au determinat dezvoltarea unor generaii de convertoare cu densitatea de putere* a energiei electrice prelucrate n continu cretere. A urmat, firesc, eliminarea treptat a sistemelor greoaie de acionare, construite cu relee i contactoare electromecanice, reostate i auto transformatoare, tiratroane i redresoare cu arc n vapori de mercur .a. n locul lor s-au dezvoltat convertoare statice cu diode, tiristoare i tranzistoare de putere, ale cror performane fac posibil o uria gam de aplicaii, de la transmiterea n curent continuu a energiei electrice la mari distane pn la acionarea roboilor.

Lucrarea de fa i propune s fac cunoscute performanele l limitrile n utilizare ale diodelor i tiristoarelor de putere, insistnd asupra celor de fabricaie romneasc. n mai multe capitole snt prezentate aoeU aplicaii pe care autorii le-au realizat i le consider semnificative pentr* folosirea corect a dispozitivelor semiconductoare de putere n cele mai diferite situaii*

Tiristorul, elementul cheie al acionrilor modeme, a fost inventai In'anul 1955 de ctre John Moli n laboratoarele Bell Telephone din S.H.A El a ptruns n industrie abia 10 ani mai trziu, cnd dezvoltarea extraordinar a tehnologiilor pe siliciu a permis obinerea de valori oonvenabila pentru raportul performan/cost. In continuare, n timp ce numrul productorilor a crescut continuu pentru a satisface nevoia de tiristoare i diode de putere, n laboratoare s-au mpins tot mai departe performanele statice i dinamice, n figura I este reprezentat, spre exemplificare, evoluia n timp a puterii de comutaie (P,), a tensiunii de blocare (V drss) i a diametrului structurii (Of,() pentru tiristoarele de mare putere, Rafinarea tehnicilor de cretere a monocristalelor de siliciu spre diametr* i grade de perfeciune care preau incredibile n urm cu 1520 ani, descoperiri att de remarcabile cum este im purificare a controlat pri* transmutaie nuclear, au ridicat foarte sus i foarte repede nivelul performanelor. Dispozitivele semiconductoare de putere acoper un evaa- tai larg 'de caracteristici i implicit destinaii funcionale, Pentrt exemplificare se prezint domeniile specifice de utilizare pentru dispozl*

Puterea mmdaaS a convertorului raportat a greuluteagacestuia (kW/kg),

I I

Wff$c f*S SsMMiil

$$ J# . imu p ,).

me 1995

L * m t f S P

a tensum 4 biocure iftoirc le mare putere.

f B L i i i M k l P II Ul> liiptra diodele rapide realizate nci ilfia (ligura HU

- l e *r* tiosetri, pm*apri in domeniul semiconductoarelor''Htfmtm m &pret m Ubonark) ICPE. ntre anii 1965 i 1970 s-au

4dMofi mtpm ia IP Rti-BN EA SA primele diode de * * nfiinat secia de diode a

& imediat tii palm fwaili d diode de putere, avnd curen- f * frTv cuprind tnm \ A ri 30 A, iar tensiunile de blocare

i* a&ail9T5 3% in^pnt fabricaia primelor tiristoare, pin& la 2h> A i tenshun de blocare pn la

ins n-!Cr-

E8 *KMKr 60nuMfe

bfBIftWftffiM fgif

IH SiSH 1

i i

***Ule peciile de utlU* 1 cuifjdfoetlUi (/,) si tcrisiuni hlftMf f y,, v v

DBM' I MM>VHkpto y&pkii coma*

1 ^ ; . ^ ta ^aawj tU. blocarc

depind 3000 V. In paralei cu eforturile de modernizare a tehnologii io dispozitivelor Reiniconduetoare, s-a format i un puternic grup de aplicHf caracterizare i fiabilitate. Astfel, cunoaterea cnmport&rii in funcionare \ se face pe drumul cel mai scurt, iar mobilitatea n faa utilizatorilor eti I maocim. ______

Dezvoltarea in continuare a fabricaiei de diode i t iris toare are ia vedere urmtoarele direcii prmcipale: a) ameliorarea performanelor i fiabilitii dispozitivelor existente; b) extinderea gamei caracteristicilor tehnico-funcionale; 0) promovarea ansamblurilor modulare ou diode i tiristoare.

Dinamic* produciei IPR S -B N E A S A in domuitil diodelor fi tiri&- toarelor de putere este ilustrat n figurile TVY , Evoluia petfomaan*

1000\

19 20 50 tOO 200 500 tOOO 2000i/ rv i vmM LVJ

Ftg. 111. DomeniiJe specifice de utilizare privind tinptil de |comutare (trr) i tensiunea invers de blocare ( VRRii) pentru diode rapide difuzate, diode ultrarapide epitaxiale i diode

Schottky de putere.

r*-~\ P>3de rcdrtzdar* Fwmot* ' m _ gssi D rotit rapide

MHOxtp cu avdksm controlata

gm

g - . . . k,/M)W A L

p p p

L t$O , * * * * * * \r*s bAs * s-

EZaMm*k# ###

putere, comandate sau necomandate, pentru acionarea motoarelor j curent continuu (foraj, traciune) sau pentru surse de cureni tari (ga^ l vanizare. nclzire rezistiv); c) acionri com plexe, de curent coninu* 1 si alternativ (maini-unelte automate, roboi in d u str ia li); d ) variatoariI de tensiune continuchoppere (traciu ne ); e) in vertoa re (cuptoareI de nclzire prin inducie, la medie fr e c v en ); f ) convertoare de freo-f ven pentru sursele de alimentare nentrerupt (ca lcu latoare , tehnici f m e d ic i ) ; g) compensatoare de energie reactiv i sistem e de excitaiei i protecie pentru generatoarele sincrone din cen tra le le electrice (opti- j mizarea consumului de energie).

Lucrarea se adreseaz tuturor celor care fo losesc d iod e si tiristoami precum i studenilor facultilor de electronic, au tom atica i electro- I tehnic.

1 I Familii de diode i tiristoare de putere care se fabric la IPRS-B NE A SA

Toate tipurile de diode i tiristoare de putere din producia actual a IP R S -B N E A S A snt descrise n detaliu n lucrrile din seria : Tiristoare i modale de putere Catalog (Editura Tehnic, 1984), Diode cii siliciu Catalog (Editura Tehnic, 1986), precum i n cataloagele condensate, prospectele i pliantele aprute ulterior.

In cele ce urmeaz se face o prezentare general a familiilor mari de diode i tiristoare de putere, cu punerea n eviden a unor elemente caracteristice, a cror cunoatere permite utilizatorului o mai bun orientare In nomenclatorul att de bogat al produselor IP M S - B N E A S A , Snt menionate, de asemenea, produsele noi aflate n fazele de cercetare- dezvoltare, mpreun cu unele date preliminare. Acestea snt utile pentru dialogul indispensabil att beneficiarilor ct i productorilor, in vederea punerii de acord a punctelor de vedere despre viitor, n raport cu necesitile unora i posibilitile practice ale celorlali.

1.1. Clasificarea diodelor i tiristoarelor de putere produse de IPRS-B NEASA

O clasificare, primar i foarte aproximativ ca delimitare, se poate face in raport cu puterea disipat de diode i tiristoare n funcionare (vezi figura 1 .1 ) :

(0) dispozitive de mic putere (piu la 5 .. ,10 W ) ;

(b) dispozitive de medie pu-1 tere (pn la 50 .. .100 W ) ;

{e) dispozitive de mare putere (peste 100 W).

Acest criterii|, aparent strict convenional, art totui meritul de a grupa n fiecare categorie o serie de elemente comune eseniale: tehnologia de fabricaie, construcia propriu-zis, vabW parametrilor electrici pi lena ici, aspectile specifice ia utilizare. Diversitatea produselor I I bazeaz pe alegerea maicii aiului iniial (monocri stalul de giiiefu), dimensionarea

r

VDF?M,RRM M DeiixU mai vii a domeniului

de curen i de eontne ie ier. &i un 1 d* blocare pe- tru Uniiel i irlstrmrele de mic&, mdl i mare pliere, dh fabricaia IPttS-BNOASA.

m

fracturii eetnieonductoarc, opiunea pentru o capiul adecvat i Mq|I tarea M*hiul*>.r de realizare tehnologic.

* Un alt cntafi de cii.siicM% de refer la tipul de cpsul uMli^Jf OeB :-i => nutfv parte ft diodelor i tnistoarelor de putere se r ^ l iz ^ ^ H v ^ o ;, .- . t' (no ningur dispozitiv tntr-o capsul). Capsulele ati^3 sint de tip naeial-eeraiitic, metal-sticl sau metal-plastic, in funci* IMfei&ricni care izoleaz electrozii metalici ai capsulei, asigurnd i ieti&tea acesteia, tu comparaie cu capsulele bazate pe material plajjH capsulele m ceramve mn sticl au. In general, o comportare ftuperigX In condiii de exploatare mai grele, fiind recomandate mai ales in fepliggB profesionale cu solicitri deosebite In funcionare.

O tendin modern de reducere a gabaritelor i costurilor nsM Eaoniaje tipice standard corist in realizarea intr-o capsul unic a uu^ 'I anMrahhm modulare eu mai multe diode i/sau tiristoare (module pacte eu diode i tiristoare, puni red re soare s.a.). Acestea sint in gf| mai multe cazuri nedemoni abile, constituind in definitiv nigjj crcuite hibride mai simple.

In fine, n scopul prelurii economice a unor atribuii ale uulizad| rului. productorul de componente ofer i ansambluri dernontabile e] caracter mai complex (cum ar fi punile industriale de mare put^jH Uneori, montarea la productor a unor astfel de ansambluri bile este obligatorie pentru conservarea performanelor de dispozitiv.y rantate (de exemplu n cazul ansamblurilor de rcire pentru cpiate disc, a cror stringere controlat pe radiator impune precauii deoseb|H

Clasificarea funcional a diodelor si tiristoarelor de putere |(j oont de destinaia operaional specific a acestora. Astfel, diodele tiristoarele normale sint utilizate la frecvene de lucru joase. Pestra frecvene mai ridicate se recomand- diodele i tiristoarele rapide. I comutaie sint folosite diodele ultrarapide i diodele Sekotikv.Zener snt destinate pentru stabilizarea tensiunii. Protecia impotnl unor supratensiuni accidentale n blocare se poate asigura cu ajutoffl . diodelor cu avalan controlata, diodelor supresoare, dispozitivelor m protecie cu patru straturi (BOD), respectiv varlstoarelor. Pentru mite aplicaii se dezvolt clase distincte de tiristoare speciale: triai ttristoare cu stingere pe poart (GTO ), tiristoare asimetrice {ASCR) m ou eoadueie tn palarizire invers ( R G T ). In fine, se fabric i alte dtfp sitive cu straturi multiple, asemntoare din punct de vedere tehnolog^ diaee, diode de referin in direct.

Diodele de medie putere, ca i tiristoarele de mic i medie 1)U aecesit montarea pe radiator (pria nurubare, presare sau stri^T In oopftl utilizrii Lor la capacitate maxim.

1.2. Caracteristicile principale ale diodelor i tiristoarelor de puteil produse de IPRS-B.iXEASA

i) cu maini aut** prelulnd rolul

- w ...fa disipaia termic.

Puterile mari disipate in funcionare ca i folosii ea in echipamente upase unor solicitri deosebite (foraj, traciune feroviar, metalurgie etc.) ridic pentru diapozitivele de mare putere probleme constructive speciale. Evacuarea cldurii pentru meninerea structurii semiconductoare In limitele de temperatur prescrise reprezint dificultatea esenial. In consecin se acord atenie maxim contactelor ferme In lanu l: structurcapsulradiator, precum i proiectrii atente a echipamentului, pentru evitarea supranclzirilor. Se remarc prezena a dou soluii constructive : a) capsule cu rcire pe o singur fa ; b) capsule cu rcire pe ambele fefe (disc). Capsulele disc permit o mai bun exploatare a element ului semiconductor prin evacuarea cldurii pe o suprafa dubl in raport cu rcirea pe o singur fa. O problem specific suplimentar, legat de costul ridicat al dispozitivelor de mare putere i al echipamentelor n care funcioneaz acestea, const n abordarea unor msuri adecvate de protecie mpotriva semnalelor electrice parazite inevitabile, care pot conduce ia distrugerea dispozitivului.

Punile redresoare monofazate snt ncapsulate n plastic i se utilizeaz fr radiator (pn la 4 A ) sau cu radiator (peste 4 A). Diodele din punte snt izolate electric de exteriorul capsulei. Punile redresoare trifazate destinate aplicaiilor auto prezint soluii constructive adaptate geometriei impuse de forma i gabaritul alternatorului. Aceste ansambluri snt supuse unor condiii dificile de rcire i ciclare termic, ceea ce a presupus adoptarea unor soluii tehnice deosebite pentru optimizarea disipaiei termice i creterea rezistenei la oboseal termic . n ultima vreme n locaul strimt al alternatorului se monteaz, mpreun cu puntea redresoare propriu-zis, un mic ansamblu pentru alimentarea inf- urrii de excitaie (de exemplu 4PT2 ), i eventual chiar regulatorul electronic al curentului de ncrcare. Punile auto pot fi utilizate i n montaje obinuite de redresare trifazic, cu condiia respectrii limitelor corespunztoare la ncrcarea n curent.

Necesitatea rcirii diodelor i tiristoarelor de putere prin convecie natural sau forat a condus la elaborarea unei game variate de radiatoare, cele mai multe fiind profile de aluminiu. Neajunsul principal l reprezint dimensiunile mari ale ansamblului dispozitiv-radiator. Spre exemplu, montarea n antiparalel a dou tiristoare de tip TG3N pe radiatoare K N F are un volum de 880 cm3. Problema s-ar rezolva mai simplu fixSnd ambele tiristoare pe acelai radiator, dar izolarea lor electric mpiedic acest lucru. Construcia modulelor compacte d un rspuns ideal celor artate mai sus prin montarea n aceeai capsul a dou structuri conectate anod-catod i izolate electric de radiator. Modulele snt fixate pe un singur radiator, cu njumtirea gabaritului i consumului de aluminiu pentru radiatoare.

Prin asamblarea diodelor t tiristoarelor de putere n montaje de redresare sau acionare ia cererea beneficiarilor, IPR S -B N E A S A s-a mseiis ntre marii consumatori ai propriilor sale produse. Valorificarea superioar a acestora nu este singurul avantaj. Cunoaterea problemelor din tabra utilizatorilor i reacia cea mai rapid posibil pe bucla afcructur semiconductoare dispozitiv montat utilizator snt tot ati- tea argument in favoarea unui consum intern de astfel de produse.

O prim imagine asupra performanelor diodelor i tiristoarelor de patere produse sau aflate n pregtire la I PUS- BNEA SA este prezenta** tu figurile 1.2 i 1.3. Se remarc acoperirea aproape complet a unei

21

f . m m -

t n t 4I # w* 1

& M b^rnmBm

mssex

m n o t ;MOB

2 Oamele de curent i d* corrduct> s tensiuni de fo c a r e ale d iodelor si a le to / P n s - H A .Y/i AS A ; n funcie de capsulele u iih vaU

;lor f ater-

KSO\: jm? H20\ 1 12QPT2\ ^WCPT2\

QP72\ S0P2 4SPT2 40PT2

4 P (m 20 PH fflPM

4PMM 3PM

2PMM, e . x

Module Tcompact _

Puniredresoaretrifazate

* Ansomiu de exo ta f * T

1 - ....... J Punif jtcdrskbreI z: * I fm nofazG fe

^fAVMJAVMA]

OBusatsmm

1000[vj~

FI. I-*- fiamyie de ^ n v 4f eonduel* i twriual Woeare ale afetMbta-j fliniari iu t P K S - f & N h A S ln * J

iriipiCiM!; 0 'iirlaii.lt'Kv uoi^Wliv^)- tttiUtat.ses

p m e foarte largi de valori d3200#* 3200 200, ..1600M48&N* 4400 200. . ,800 r$o

u t 11

Wm

W*4i eg vHitMf#

K S 5 I rM t|V) ( I'w iV ) tidteW) 1

M s 400,, , tdtnt 4MI,, .f J It Si i i 4o0, ,, | IftHI IM 04 Mi 400,, MHHI .o, , f 7I0| 1 IF 101 10 60,,.1000 000 1)04D\U ; |dAF*| io J8 1000 aoo D04

w m iM i a& 1000 nte preliminar# y Diodo rapid cu v&!tn$ coiitrotal

Wo4# llritritjt4tTaktlai | P I * J m m I^ Z * ni . .. Hk- : .. m %4i M - f i|LKi osa&m iar S6 to i m :5 A Z . H 4i V l' f|

I* ftctoi 4 f

l)l

T abeliP

v* 310 i 2 0 0 0 ,. . 2400 728 P

T'A2HS''* 330 1 2 0 0 ... 600 7*20 P

1 200 :2.r0:320AW* ;350A 200 ; 250 : 320 ; 350 400. ..1800 50

7*358 ; 408V* 360:410 400. . . 1800 7*28 PT455; 50IN 155 :500 1600.. . 2600

. 16007*30

7*508 A'* 510 600.. 7*28 P

T600A* 600 2600. .4000 7*50

7*550; 630A * 550 630 400. . 1800 .1800

730

7*628:698A * 630 ; 700 400. 7*36 JB7*700AT 700 1600. . 2600 7*50

7T18A* 720 600. . 1400 7*36 A7*800; 860N* 800 ; 860 2600. ..3600 7*5071000A 1000 400. ..1800 7*50T1050AT* 1050 1600. ..2600 7*50T1250A* 1250 400. ..1800 7*507*998 ; 1258A* 1000 ; 1260 200. . 800 7*48 P

Produse n dezvoltare. Date preliminare

Tirtstoare rapideTabelul ].|.l

Tip ^ DRM,RKm (V ) tqi'tLS) Capsula

T I kr?>R;FT 3 ; 6 ; 1 0 *F - P 310 ; 16 ; 222?7 25 ; 3 0 7*32 ; 40F *7*50 : 63 ; 80F T158S*7128 : 168F* 7*178 ; 258F* 7*195 : 290F T308F*7*318 ; 408F*7 508 ; 598F* J0OOF 7*500 ; 630S*

13

3 : 6 :10* 10 ; 16 ; 22

25 :30 32 ; 40

50 ; 63 ; 80 160

130; 170 180 ; 260 195 ; 290

310 320 ; 410 510 ; 600

600 500 ; 630

50.. . 800 10 507*3250.. 800 10:20 7 * 0 8 6 50.. . 800 20 ! 7*022050.. .1200 20 j 7*04850.. .1200 20 ! D 05- Tg

200.. .1300 1 8 ...3 0 ! B22200.. .1300 18 ...3 0 27200.. .1300 1 8 ...3 0 ! 720P200.. .1300 1 8 ...30 S 20P200. .1300 18 ...30 ! 720P200.. .1300 18 ...3 0 1 50200. . 600 18 ...30 T20P200. ..1300 18 ...3 0 T28P200. .. 600 2 0 ...3 0 j 7*28 P200. ..1300 18 ...40 i 7*30

1200. ..2000 4 0 ...6 0 7*30

* Produse in dezvoltare. Date preliminare.

Tiia.ce.

Tipyt>RM,RRM(V)

jB&i mm,I 'B lG NTB 25N *

6 ; 10 16 25

2 0 0 ...6Q0200...800

50.,.800

Produse n dezvoltare. Date preJnmare

24

'mm

7*0220 7*048 D05 fM,

i n

WKsMsk

Ttp FA rM .TA vU i^ ^0*f RRM( V )

\1DD:U , 4u ; 8MJV* 32 : 40 ; 50 400; 1

* itp KI J 20M IjDS?, : W : tflA' * 3 ; 80 : 100 400, .1800 /3UM B B 123 ; 10 2?*aV 123 ; 160 ; 200 400. . i 800 ----- . h, i.

MDD2&&* 32 400,, , 1400 25 K20M DIM bS* 45 400. . 1.200 10 20MBD21:S* 120 400. 1400 45 30ViJZ 122S* 120 400. . 1000 25 \30

MZ>r,,TZ>25 32 ;40 ;50X* 25 ; 32 40 : 50 400. . 1600 K20-Wi>T, M TA : #0 ; UK>V* 63; 80 ; 100 400, . 1800 KM)m M t ,M T D 'x25 : 180 3I0.Y 125 : 100 : 210 400. . 1600 K5t

M D T , MTDXL : T2 45 20060PT2 60 200m p 12* 80 200lOOP 72* 100 200120P22 * 120. 201 2 0 P r2 - * 120 20(ii

* Brodas# in d*st vallare. jjre-lumuare

faldul - **

Puni iMlxtritir I? Mut putere-

FunwHK p,mtl || '#> 1 /*{A)M P W L ftM p rc im

1300

220:13001050 1U30

MPTQm 380-1300 3$0 130*1

MPTGiR) 380i83$ 380m p i a m 440/1300 440M PTC(ft) 4#^850 440 850MPTCiR) 500/1300 00 130*0MPTGR) 500 850 500 83*'MPTC{B) 760 1000 750MPTCli) 756 850 75'Q 850MPTCin) 8254000 825 1000MPTC'im 825,850 825 850M PT ( m 900 1000 900 1(100M P T C m 900.$50 900 650PT350A 2iIV 24 350PT 750A;:MV 24 - 750PT 2500A 24V 24 2500

capsulele aferente. n Tabelul 1.16 snt prezentate principalele ansambluri de rcire recomandate /oferite de productor i parametrii termici ai acestora, n AM EXA 3 din volumul II snt prezentate capsulele utilizate n producia de diode i tiristoare de putere a IP R S -B N E A S A .

Tabtlul 1.1$.

Ansambluri de rcire;

Tip

V i c/W

CapsulaRcirii cu aer

Rcire cu ap 5 1/minCowvece

naturalConvecie

forat

30 0,28 0,073 7300,27 0,049 H 750

Kxurn- 30 0,29 0,078 L ' 730150-F50 0,4 0,11 : 50wimn~2 0,237 0,086 in . TM

0,455 .w -' T50WS3iBKH? 1719 0,325 gir--. : im P p i 1 i 250lOirso 5o 0,28 0,062 j 750BAB30 Wf. .; 0.029 730BAmu 0,024 750

Caracteristicile constructive i funcionale ale tuturor dispozitivelor menionate lint aliniate la standardele internaionale n vigoare, ceea ce fate' posibila echivalarea acestor dispozitive eu produsele similare realita te de ali productori de profil din lume.

MC*fW l

tum -ni n m jBAWi *1 *atf$ %n : tuu^xf |i fajr&o^uii *1*PP

>q piuipx wniip^j Ho|R3i!> nwjfjs m ^>ki t r y - j *f t a p i i j *p |i jsnU'U}} * /

2. Principii ale funcionrii diodelor i tiristoarelor de putere

A. DIODE

2.1. Principii generale de funcionare

2.1.1. Consideraii generale

Diodele constituie o clasa de dispozitive semiconductoare cu dou terminale avnd dife ite destinaii funcionale, care depind de geometria structurilor, precum i de condiiile externe de polarizare [l-s-7].

Diodele semiconductoare de putere snt utilizate n principal n regim de redresor [3-r7]. O astfel de diod este format dintr-o jonciune semiconductoare pn (vezi figura 2.1). Dispozitivul prezint o rezisten de valoare redus ia trecerea curentului n cazul polarizrii directe (4- pe anod, pe catod). La polarizare invers (- pe anod, ~r pe catod) curentul prin diod are o valoare redus, dispozitivul pre- zentnd n acest caz o rezisten de valoare foarte mare.

AO (Anod)

A

(Na) (NoiP

Na'* No bl

n*y ---- OC

QC (Catod)

Diodele cu jonciuni p+n sau n+p (vezi figura 2.1) se consider n mod ideal ca avnd straturile semiconductoare constitutive dopate uniform. Jonciunile se consider a fi abrupte (tranziia de la stratul puternic dopat p + la n, respectiv de la w+ la stratul p se efectueaz abrupt) i asimetrice (concentraia de impuriti in stratul puternic dopat este mult mai mare dect n stratul semiconductor slab dopat). Concentraia maxim de impuri' ti n stratul semiconductor puternic dopat {Na n p+, respectiv N D n n+), consider a fi sub valoarea de IO19 atom/ cm8. n acest caz semiconductorul est nedegenerat.

NA^ .Nci 2.1.2. Caracteristica ideal curent (I)tensiune (F)

Fig. 2.1. ( ) Simbolul diodei redre- &oare. ( * ) JaBCiune p+n. (e) Jonc

iune n+p.Caracteristica curent ( I ) teusiun^

(V ) a unei diode ideale este exprim**

30

analitic prin relaia [1 * 7 ]

1 h( VT) e*r/Vr 0. n acest caz, din relaia (2.1) se obine poriunea invers a caracteristicii I V (figura 2.2) exprimat analitic de

I H (2-2)

Din relaia (2.2) rezult c valoarea curentului care trece printr-o jonciune ideal pnt polarizat invers cu o tensiune \V\> kT/q, nu depinde de valoarea tensiunii inverse. Belaia (2.2) exprim deci saturarea curentului invers prin dioda la valoarea I Q.

Pentru tensiuni inverse aplicate egale sau superioare valorii Vbh (vezi figura 2 .2 ), caracteristica I V a diodei se ndeprteaz abrupt de la ecuaia (2 .2 ). La atingerea valorii critice (Fbr) a tensiunii inverse curentul prin dispozitiv crete brusc la valori foarte mari. Dioda se afl n acest caz n regiunea de strpungere (breakdown).

n cazul polarizrii direete, din punct de vedere practic, caracteristica I 7 se aproximeaz ca n figura 2.3.a. Locaia tensiunii de prag, VF m obine la intersecia cu axa tensiunilor (V ) a dreptei care aproximeaz liniar c&r^tcristica curent-tensiune. Tensiunea de prag Ve a unei diode *te practic egal cu potenialul intern VH al jonciunii respective (vezi | avnd valon de 0,5 V .. .0,0 V pentru diodele din siliciu i

T >; V pentru diodele din germaniu.

Din punct de vedere formal, o jonciune pn in conducie direci avnd o caracteristic J V aproximat, liniar, poate fi modelat prin schema echivalent, simplificat din figura 2.3.6. unde D este o diod ideal, care simbolizeaz conducia unidirecional a dispozitivului, y p tensiunea de prag prezent prin tensiunea contra-electromotoare, care mpiedic intrarea n conducie a dispozitivului pentru tensiuni directe V < VPy r0m rezistena n conducie direct (on) a dispozitivului, care determin panta caracteristicii liniare I V.

n

Fig. 2.3. (a) Aproximarea liniar pe poriuni a caracteristicii directe curent-tensiune a unei diode semiconductoare. (b) Schema echivalent simplificat a unei diode

redresoare.

La polarizri inverse i tensiuni aplicate V < V Br, dioda poate fi reprezentat printr-un rezistor roff de valoare foarte mare (roff= Fr/Io)* Valorile uzuale ale rezistenei roff snt de ordinul a zec i. . . sute de MO.

Neglijnd n relaia (2.1 ) unitatea fa de exponenial*, tensiunea pe o diod ideal n conducie direct se exprim prin :

(3.3)2 V I q )

Cderea de tensiune n direct VD la un curent I constant depinde de temperatur prin termenul (kTjq) i prin curentul I 0. Experimental, se constat c rata de cretere a curentului Z0cu temperatura este de 7 ...8 %/C, ceea ce este echivalent cu dublarea valorii curentului I 0 & fiecare l ( fC de cretere a temperaturii.

Coeficientul de variaie a cderii de tensiune VD cu temperatura la un curent direct constant ( I = constant) este [1 ]

V = - 2 mV/C (2.4)dT

n cazul funcionrii la semnal mic (variaii mici n jurul unui punct de funcionare dat) intereseaz i rezistenaJdinaraic (incremental) r

* Neglijarea este justificat practic pentru orice jonciune polarizat direct. ntr-adev'*Hin valoare minim V * 0,5 V sc obine la 300 K, exp( VJVT) = ejcp (0 5/0,025 )^ ** 2x 10 > 1.

definit do [54-7].

Vr . -

TXtiiiznd relaia (2.3) n (2.5) i neglijnd I 0(J0 < I ) se obine pentru cazul polarizrii directe

JoT (2.6)&

unde I este curentul direct din punctul static de funcionare.La o temperatur constant (T const.), rezistena dinamic rD a

unei diode n conducie direct este invers proporional cu valoarea curentului I prin dispozitiv*.

2.1.3. Electrostatica jonciunii pn

Diodele semiconductoare sint formate din jonciunea materialelor omonime de tip n cu cele de tip p. Un material semiconductor de tip f este dopat cu impuriti donoare** avind concentraia N D(n = N D), n timp ce un semiconductor de tip p este dopat cu impuriti acceptoare*** de concentraie N A(p N A)- ntr-un semiconductor de tip n nivelul Fermi Em se afl n jumtatea superioar a benzii interzise, n timp ce ntr-un semiconductor de tip p nivelul Fermi (EFv) este poziionat n jumtatea inferioar a benzii interzise (vezi figura 2.4).

n = rinai

, Banda de conducfi'e*

i 1 . |--% Banda uterzis

\Ecz m z m m m zanda 0 valen

Fig. 2.4. Straturi semiconductoare izolate de tip p i n cu diagramele corespunztoare ale benzilor energetice.

ntr-o jonciune pn aflat n echilibru termodinamic nivelul Fermi este constant (unic) in ntreaga structur. O jonciune pn se afl la echili-

* La un curent l 2$ mA i T 300 K (k j'jg 20 mV), rD = 10.** Elemente pmtavalente (fosfor, arsen).*** Elemente trivalente (galiu, bor, aluminiu).

P-Pp,

Banda de conducie

Banda interzis

Efp------------- "------fe 1

Banda ti valen

bru termodinamic atunci cind nu este supus unor excitaii externe (tai min, tensiune, variaii de temperatur etc.).

Zona de intern de potenial

tranziie a jonciunii pn este caracterizat printr-o diferent* * tenial (butlt-in potential) Vbi (vezi figura 2.5).

qVbt $ g E1 (2.7)unde^o este limea benzii iu. | terzise (EG = 1,12 eV in siliciu la ^T = 300 K ), iar [1 *3 ]

Zon de tranziie

Ef -

Evr mm.% =k Tin (Ny/NA )

Et = Ev - EP = JcT In

2? 2 == Ep Eq = TcT In

(I;)1(2.8) I

\ Nc

2zkT tnlNc/No)

(2.9)n relaiile (2.8) i (2.9) N

este concentraia de impuriti acceptoare n stratul p, ND este concentraia de impuriti do- noare n stratul n,Nv este densitatea de stri n banda devalen (1,04 x IO19 cm" m 8i-

Fig. 2.5. Structura benzilor energetice ntr-o jonciune pn la echilibru termodinamic.

liciu la T = 300 K ), Ne este] densitatea de stri n banda de conducie (2,8 X 1019cm * n siliciul T = 300 K).

Prin nlocuirea relaiilor (2.8) i (2.9) n (2.7) se obine [l-r3] j

qVbi E0 kT In - - k l ln-^2- = E0 k l ]n NcN^- N a N d N aX d

(2 .10)

ntr-un semiconductor aflat la echilibru termodinamic, produsul f concentraiilor de goluri (p) i de electroni (n) este constant i egal cu , ptratul concentraiei intrinseci |n,(= 1,45 x 1010 cm '* pentru siliciaj la T = 300 K ) [17].

pn = n2i NcNv exp ( -w )- (2.11)nlocuind expresia lui Ee din (2.11) n (2.10) potenialul intern V iM

obine sub forma [l-f-7].

(2.12) jkT

relaia (2.12) rezult c pentru jonciuni abrupte asimet^ D sau N d > N a), cu concentraii ale stratului puternic dopat | |

- JL------- --------J------ ---------- I ;

Din# 1 > m10wcm"* i la o temperatur T constant, potenialul intern Fw,

elsilP>

84

pragul de deschidere VP al diodelor (vezi 2.1.2), crete odat cu creterea doprii straturilor p {N A) i/sau n (N D).

Zona de tranziie a unei jonciuni pn la echilibru termodinamic este caracterizat prin absena purttorilor mobili de sarcin (electroni i goluri). Datorit concentraiei lor mari, golurile din zona p adiacent jonciuniijmetalurgice difuzeaz n stratul n, lsnd n urma lor sarcina

Golion acceptor

Jonciuneametalurgic Ion donor

Electron

M c o . . jo,cM o . , . .

p o o : 4 .

p o o . 6L .

p p o . 61 .

o o o . . .

Strat p Zon Strat ngolit

a)D*nsitot&de sarcina

Zona i ^ sarcina

despatie: 'i

qN

le(n *

bj

c)

Fig. 2.6. Distribuiile densitii de sarcin (b) i ale intensitii dmpalui electric E (c) intr-o jonciune pn (a) abrupt i asimetric

la echilibru termodinamic.

electric (negativ) a ionilor acceptori necompensai, iar electronii din stratul , aflai n proximitatea jonciunii metalurgice, difuzeaz n zona m M B astfel natere unei sarcini electrice (pozitive) a ionilor donori neoompenaai (vezi figura 2 .6 .a). Sarcina electric a ionilor necompensai

39

din zonele p i n adiacente jonciunii metalurgice (vezi figura 2.6.&) creea^J un cmp electric de intensitate E (vezi figura 2 .6,6). cu sensul de la garj fle pozitive la cele negative (figura 2.6.a). Zona de tranziie cu o lim tipic de 0,5 jjim poart denumirea de zon golit sau regiune (zon) $e i im ik i spaial. Prile zonelor p i n aflate in afara regiunii golite ( donori In stratul ).

Frontierele l9 i ale zonei de sarcin spaial n straturile p respectiv f snt corelate cu concentraiile de impuriti acceptoare (N A), respectiv donoare (N D) prin relaia ;

N Al9 = Noi*. (2.13) ilimea W a zonei de sarcin spaial se exprim prin [17] ^

W

innd cont de relaiile (2.13) i (2.14) extinderea lP, respectiv regiunii de sarcin n zonele p i n se exprim prin

l9 W - N a

ln W Nd___

(2.15 .a)

(2.15.6'

Din relaiile (2.15) se constat c extinderea zonei golite ntr-un stra semiconductor este cu att mai mare cu cit doparea cu impuriti a stratulid respectiv este mai redus. M

Capacitatea CB a regiunii golite (capacitatea de bariera este [dat del i g i

gp^ -Cb = - w(2.16)

unde A este aria jonciunii pn.Valoarea maxim a intensitii cmpului electric E se obine H

jonciunea metalurgic i se exprim prin relaia [1 7]

Em -H.2q NlN aN d (2.1Aria suprafeei cuprinse de ourba distribuiei cmpului electricjNH

figura 2.6.e) este numeric egal cu potenialul intern al jonciun ii 1V j

2.1.4. Jonciunea pn la polarizare inversti

Fenomenele principale care au loc ntr-o jonciune p+n polari^H invers elnt ilustrate n figura 2.7. .^jf

Tensiunea invers aplicat conduce la creterea limii W. a de sarcin spaial a jonciunii, care susine tensiunea aplicat 1 | (vezi 2.5).

orde n i

toriiregiitiere

de p iuni

X. fi

n regiunea de sarcin spaial exist un cinip electric puternic (de ordinul IO4.. 3O5 V/cm). n regiunile neutre-din exteriorul regiunii de sar cin spaial nu exist emp electric important.

Jonciunea metalurgica

Frontierele regiunii de sarcin spaial

/ a) Jonciunea metalurgica j Vor

Frontierele regiunii v* 4* * de sarcin spaial

b), . Flg. 2.7. Ilustrarea modalitii de formare a componentelor de difuz te (a)

i generare-rcccmbinare (b) ale curentului invers printr-o jonciune pn polarizat invers.

Curentul invers al jonciunii are dou componente.O component denumit curent de difuzie este determinat de purt

torii mobili de sarcin (electroni, respectiv goluri) generai termic n regiunile neutre ale zonelor respectiv n situate n vecintatea frontierelor regiunii de sarcin spaial (vezi figura 2.7).

Cealalt component denumit curent de generare este determinat de purttorii de sarcin generai n regiunea de sarcin spaial a jonciunii.

Curentul I difuzien zona postea care contribuie la curentul invers are o extindere

11 | p marginea corespunztoare a regiunii de sarcin spaial. L este

37

, 4 I m * * * * (P *A*iMr< minoritari Ia atratul * ) , ** Mfpt& m*

X. flSuT (3.1)ate r Iii fn,-Oniw>mt ^ difuza si tropilor, iar t . timpul de via i l NwetycaMW te aoMfi WHtU*- & P*

tn mod riiyiiar. hiafinww 4# dtfaw* * golurilor (purttori minori- * * } * KHk # 'fl qpiMI Jtft

'4 K H I* (2.19)m i l >

spre suna p iar eleciunii spre zona *). C i urmare a. regiwtiA de w i f i i spaial pur o generare de purttori care determin, formarea nani mrmut

generare care dup cum se poate arta este dat de relaia [14-7]

unde (vezi figura 2.7,b) W este limea regiunii de sarcin spaialii,, ir je este timpul de via efectiv din regiunea golit. Se mmare faptul c densitatea curentului de gene rare-recombinare J a este direct proporional eu W, deci depinde de tensinnea invers aplicat.

Valorile tipice ale componentei a- curentului invers a diodelor din tiliciu este de O~9A/cm? la T -300 K, adic superioare celor ale componentei de difuzie

Curentul total printr-o jonciune polarizat invers la o tensiune J f\ < Vm este dat de sama curailor de dtfnae i de generare

unde J4 i s n t exprimate de (2.21), respectiv de (2.23).

2JL5. Jonciunea pn la polarizare direct

La polarizarea direct a unei jonciuni (- f pe stratul p* f pe stratul ) , caracteristica densitate de curent (J ) tensiune (V ) se exprim analitic prin [$].

unde J,4 i Jr sint exprimate de relaiile (3.2.1), respectiv de (2.22). Fa de relaia (2.1), care exprim caracteristica unei diode ideale, formula (2.24) nglobeaz componenta de generare-reeorabinare !n zona de sarcin spaial (vezi figura 2.7.6). Caracteristicile curent-tenaiune a diodelor practice din siliciu sint prezentate n figura 2.8.

Rezultatele experimentale obinute cu diodele re dresoare din iliciu e reprezint de multe ori [6 ] sub urmtoarea form*

unde i} este feciorul

Tti.;-

d o r it aparii! altor fenomen f ^ o rwfcvmi* f#*j cq $ iwri flfur* 2,&), t

2.1

tor al,i atomi de siliciu, creind alto perechi electron-gol Ca unuiaa ionizrilor prin oc curentul invers prin structura pn crete substantiaj Multiplicarea prin avalan a purttorilor conduce in final la Rtrponcii^ jonciunii. Valoarea critic a cimpului electric j& n siliciu Ia are m poate produce procesul de multiplicare te avalan al purttorilor este to 3 X IO8 V/cm._______________

1 ^ - 8 I (N} K

1 1

m m m

!Noi

..............1

%

~Ti

Fig. 2.9. DUlribunie i%jsitfiii de sarcini. (b) i al* inieu- albiii dmpului ekclrie Etc) tntf-o jonciune

abrupt i ia polari tarea Mvek'&

m im

Tensiunea de strpungere V** a uneif jonciuni pn se determin! | considerentul potrivit cruia fenomenul de multiplicare n avalan are loc atunci cind clmpul maxim Em din regiunea golit (figura 2.9) atingeo valoare critic ir.

Pentru o Jonciune p+n abrupt .^, asimetric (figtjra 3 , ^ |||m| extinderea zonei de sarcin spaial in stratul puternic dopat este redus(/,* 0), tensiunea invers aplicat V* este cgalilfcu aria triunghiului avted nlimea i baza /(&U) l-rf '*** -i

Fu

Din egalarea valorii cimpului maxim JS* din (li.27) se obin r,w *

: cu rfcltwitft o im ps^er itic

7W K:* r - ; ^

unde f/ftitiling tBvefe Vji^ h S fe

prin definiie tensiunea de strpung^'

l * UBn

(3 .%

Din relaiile (2 28) f i (2.29) expresia tensiunii de strpungere se otyi^ tu li forma f l - r f li

F #1

Pentru o jonciune 4/j, N * se nlocuiete cu N .Din relaia (2.30) rezult e i tensiunea de strpungere variaz in sen$

evnirmr cm concentraia de im puriti a substratului. Concluzia care rezult sste d irect : obinerea unor dispozitive cu tensiuni de strpungere imH im p iie utilizarea unor substrate slab dopate (de mare rezistivitate).

ie sarcina ipa iofDac limea a bazei

este insuficient (dioda este subire ) zona de sarcin spaial Ta ajunge s se extind in toat baza (vezi figura 3.10} $ s ating contactul m etalic inainte ca intensitatea cmpului electric n regiunea de sarcin spaial s ajung la valoarea critic.Odat cu atingerea contactului metalic curentul prin diod crete brusc, fiind lim ita t de elementele circuitului ex te r io r ; se spune c dioda s-a strpuns prin ptrundere (punch-through).

Tensiunea V n la care se obine ptrunderea rezult din relaia (2^ .2% abservind c in cazul strpungerii prin ptrundere 1% = W n[4, 6, 7]

Fig. 2.10. Ilustrarea fenomenului de ptrundere 1 polarizarea invers a unei jonciuni pn.

q N p W l

*o*

(2.31)

Valoarea tensiunii V , T este inferioar valorii care se obine pentru o d io d g ro ap .

Diodele i tiristoarele se proiecteaz astfel net strpungerea Prlj| avalan s apar naintea strpungerii prin ptrundere (straturile dopate bazele se realizeaz suficient de groase).

Strpungerea Zener (prin efect de tunelare) are loc n jonciunitojP* eare au ambele zone semiconductoare puternic dopate, ( > 5 x l 017cni 'b %M polarizarea invers a acestor jonciuni c impui electric intens din nea go lit favorizeaz ruperea legat urilor covalente dintre atom ii material! B Heniicondu tor. rez ultimi astfel purttori mobili de sarcin (electrod H goluri) disponibili pentru procesul de cunducit. Fenomenul de trecei** unui tocU'oi devenit liber din banda de valen n cea ce conduct*'.

13

poart denumirea de rtunelare*\ Strpungerea Zener bazat pe efectul ile iunewre *e produce la un cimpe critic de ordinul 10* V/cm (100 V/on). gab aee*st& vloare a cimpului critic dominant este fenomenul de strr punirerp n avalan (vezi figura 2.11).________________

F lf. X I I . Cimpoi electric E pentru strpungerea n avalan \ Zener In funcie de concentraia de impuriti a substratului, a jonciunilor abrupte pn din

siliciu.

2.1.7. Jonciuni liniar-gradate i difuzate

Realizarea n practic a jonciunilor pn ale dispozitivelor de putere *e efectueaz, de regul, prin difuzie (vezi Capitolul 3). Atunci cnd jonciunea metalurgic a structurii pn se afl la o adneime mic (< 1 0 xm), dispozitivul poate fi aproximat printr-o jonciune abrupt.

n cazul unor jonciuni metalurgice mai adinei, structura pn se consider adesea ca fiud liniar-gradat (vezi figura 2 .12), concentraia net de impuriti variind liniar n jurul jonciunii metalurgice.

Se poate arta c pentru o jonciune liniar-gradat tensiunea de itrpungere prin avalan este dat de relaia [47]

(2-32)

unde este cimpul critic iar

este gradientui concentraiei de impuriti la jonciune.Tensiunea de strpungere a jonciunilor liniar-gradate este proporio

nal m Y i fa, fiind practic cu atit mai mare cu cit gradientui concentraie

43

taii timpului electric (b) i potenialul (c) Intr-o jonciune pn Uniar-gradat la echilibra. n (ct) este reprezentat, dia

grama de benzi a joncunii.

la jonciune (a) are o valoare mai redus. Pentru obinerea unor tensi#f* ie strpungere ridicate, jonciunile, reresoarelor de putere (diode i tmre) sini adinei i au un gradient (a) relativ redus al con cen tra ia "|8 impuriti [1, 4, $}.

Jonciunile luiiar-graduti* au, de regula, o tensiune de s ti& pv iu " | mai mare decit jonciunile abrupte [1,4,6].

B

2.1 .S. Comportarea Iran/Atom* a diodei, liu ip ii de com u la it

Pentru aplicaii in circuite de comutaie, tim pul de tranziie ^ lor din tarea de conducie direct* (

Fenomenele care nsoesc tranziia unei jonciuni pn (diode) din starea I starea o jf simt ilustrate n figura 2.13.

Pin in momentul t ~ 0 dioda este polarizat in direct, dispozitivul fiind parcurs de curentul de conducie n direct l r . n momentul f = 0, comutatorul K trece instantaneu din poziia 1 in poziia 2. Ca urmare se ntrerupe curgerea curentului

fim V A --------,-MV

X* L Yi se foreaz trecerea

prin jonciune a curentului invers /*. Valoarea acestui curent (/ * Y HjB R) este determinat de sursa de tensiune E R i de rezistena JR*.Curentul I R i pstreaz constant valoarea pn in momentul t = tv Intervalul de timp (d tx), caracterizat prin constana curentului I R i prin faptul c tensiunea la bornele diodei scade de la V F \ la 0, este determinat de necesitatea de a evacua purttorii minoritari existeni n exces in baza diodei i poart denumirea de timp de stocare (storage time)*. Dup momentul f2 curentul invers prin diod ncepe s scad, tensiunea la bornele diodei devine negativ tinznd ctre valoarea E r . Durata intervalului de timp (tu t2) n cursul cruia dioda i restabilete capabilitatea de blocare n invers poart numele de timp de tranziie {transition time).

Dependena valorii timpului de blocare, t9f/ [egal cu intervalul (0, i3)] normat j| la valoarea timpului de via al purttorilor minoritari n funcie de raportul l Fj IR este indicat n figura 2.14 pentru cazul unei diode abrupte ideale.

Din figur se constat c pentru valori foarte mici ale raportului I r j I R (o supracomand de blocare) este valabil relaia aproximativ 1 | 6 ] |

i*/f ^7T* T T " ' (2.34)J I r

_ L iEf - r .

i

ij?------------------------------------------------------------------------------

1|-------------t

+

_________________________

/ 4

i

__________ I_______ ___j\0 :

_____ i--------i

............ i ....... 1 r

-FolV

Fig. 2.13. Schema de principia ajcircuitului utilizat pentru comutarea on-off a unei diode (a), variaia curentului prin diod, (6) i variaia tensiunii la bor

nele diodei, (c).

* Acest interval este denumit uneori i intervalul de curent constant {constant - p&mt).

eurrmt

45

l>ependenta prezentat Su figura 2.14 pli De n eviden, cele do^ 1 posibil de urmat pentru scderea timpului de blocare al unei diode : tnL rarea timpului e via i micorarea raportului r f l R. Prima cale repiez^

Fig. 2.14. Valoarea normat a timpului de blocare al unei diode n funcie de raportul dintre curenii n direct (/#>) i n in v e r i (/j*).

abordarea tehnologici utilizat de exemplu pentru diodele rapide : n struc- j tura se introduc n cursul procesului de fabricaie centri de recombinare 1 care micoreaz timpul de via t. A doua cale constituie abordarea la | nivelul circuitului, accesibil direct utilizatorului.

Un timp de blocare toff de valoare mare micoreaz frecvena maxin& j la care poate fi operat dioda i mrete pierderile de comutaie, ceea ce | conduce la nclzirea dispozitivului n timpul funcionrii.

Din punct de vedere practic, tranziia unei diode din starea de bl- | care in starea de conducie are loc instantaneu (raportat la durata timpu- J lui hit)- - |

Productorii de diode redresoare de putere, specific, de regn** | valoarea timpului de revenire t (reverse recovery t im e 7 vezi 2 .12.2-}--9

2.1.9. Puterea disipat n starea de conducie direct

Capabilitatea n putere a unei diode este determinat n principe pierderile pe dispozitiv P, n starea de conducie (on> i rezistena tefl1* jonciune-capsul Bt)k /_(vezi 2.13). Puterea de curent continuu disipa M de o diod n conducie direct se exprim prin

unde F P e*te tensiunea de prag a diodei, 1* curentul prin diod* ?& re* tent intern a diodei In punctul static de funcionare considerat (vet f fu r * 1*15).

Fig. 2.15. Caracteristica I V static a unui redresor de putere.

Puterea maximi pe care o poate disipa un redresor (dioda, tir is tor) In curent continuu este (vezi 2.14) :

A r T , - T . 125 - T.Perna* - T - p ( .M )

K-thi-c -K th i-c -K'th J -c

2,1*10* Caracteristica I V la nivele mari de injecie

Funcionarea la nivel mare de injecie a dispozitivelor pn cu jonciuni (in conducie direct) se caracterizeaz prin faptul c valoarea concentraiei purttorilor minoritari n straturile dispozitivului este comparabil cu cea a purttorilor majoritari. Ca urmare, componentele de difuzie i drift ale curentului in conducie direct snt comparabile. La ai vel mare de injecie:

a) Mobilitatea i scade datorit creterii concentraiei purttorilor;b) Procesele reeonabinaionale snt dom inat de recombinarea, Auger

(band-bandi)*.

* Recombinarea Auger implic ntotdeauna doi purttori majoritari i un purttor minoritar. Astfel, In stiiciu de tip n recombinarea Auger implic doi electroni i un go l: unul dintre electroni efectueaz tranziia din banda de conducie In cea de valen, recombin!* du-se cu uh gol Energia degajat ca urmare a acestei tranziii este transmis celui de al doilea

3 eieoiron- n siliciu de tip p la recombinarea Auger particip dou goluri i uu electron.

Timpul de viaa Auger t se exprim prin [4, 8]

, o4i ' ^

nude i e$te concentraia medie a purttorilor din stratul) semicond^, tor considerat, C este constanta A uger, avnd valori de aproximai I I * cm* !.

Scdere* mobilitii p i a timpului de via t , conduce la micor, rea lungimii de difuzie a purttorilor minoritari (vezi relaiile 2.18 fi 2.19). Ca urmare, crete cderea de tensiune ohmic pe straturi]# senii conductoare. La nivele mari de injecie, curentul printr-o diod cu jonc- iune este proporional cu exjy(qV2kT) (vezi figura 2.8).

2.1.11. Schema echivalent a diodei

Schema echivalent de semnal mic a unei diode pn cu jonciuni (vezi figura 2.16) este format din conductana 6?, capacitatea de barier Cp (relaia 2.16) i capacitatea de difuzie sau de stocare CDl definit priife p

C * - - 7 T - (2.38)

kTunde VT = ------ , t este timpul de via al purttorilor minoritari n baz,l

1 eite curentul prin diapozitiv n eondueie direct.

: Z -----* v e$ ** ca'i

i *. 0 .7 . # #-------- I

Fig. 2.16. Schtna echivalent de semnal mic a unei diode cu jouciuve pa.

La polarizarea invers, (J are o valoare extrem de redus (q r^T*v i i-%

vezi rela{ia 2.42 j , iar capacitatea CD poate fi Beglijatft n coiupanv^

CB ^

La polaiizarea direct, deci la o valoare relativ mare a curenta^I prin diapozitiv, capacitatea Ca este, de regul, mult mai mare

C6. Conduetana 0 este in acest eaz G m (vezi relaia 2.40).

* tanta de timp

c acestea nconjoar jonciunea principal fp+ ) i reduc valoarea cmpu. Iui electric la polarizarea n invers a structurii. Poziia inelului 1 (p j Q alege astfel ca regiunea de sarcin spaial a jonciunii principale s tr- mng jonciunea p,w la o valoare a tensiunii inverse aplicate inferioar tensiunii de strpungere a jonciunii principale. Orice cretere ulterioara

a tensiunii aplicate va fi preluat de jonciunea (j>**) a inelului de cmp j. Strpungerea dispozitivului are loc la jonciunea cilindric asociat ultimului inel de gard (ps).

Trebuie remarcat faptul c pentru un substrat de siliciu de rezistivi- tate ridicat distana dintre inele trebuie s fie relativ mare pentru a se atinge o capabili ta te nalt n blocare. n consecin, inelele de cmp (gard) nu se utilizeaz n fabricarea dispozitivelor de tensiuni ridicate datorit faptului c ele ar ocupa o suprafa relativ mare pe placheta de siliciu.

2.2.3. Conturarea mecanic a suprafeelor

O reducere substanial a cmpului electric la suprafaa structurilor pn la polarizare invers se obine prin prelucrarea mecanic a suprafeelor coninnd jonciunea metalurgic. Prin acest procedeu se pot obine valori

ale intensitii cmpului electric la suprafa sub cea a cmpului E din vo-

2 3

Fig. 2.17. Structur p!a*ar p+n eu trei inele de cmp (inele de gard).

lum, deci o cretere a tensiunii de strpungere. Exist dou modaliti de baz de conturare mecanic a suprafeelor jonciunilor pn : sub unghi negativ, respectiv pozitiv (vezi figura 2.18). Pri convenie, o jonciune pn conturata sub un unghi negativ are o arie care crete pe msura tranziiei de la stratul puternic dopat la cel slab dopat. Conturarea unei jonciuni sub unghi poz1; tiv implic scderea ariei dispozitivului dinspre stratul puternic dopat spre cel slate dopat [4, 6 , 7].

aI

p * ( s a u o * .

n ism u p )

Fig 2 .1 8 . Modaliti de mnturme a Jonciuni iar pn. ( ) uaghi de cooturare fm negtlv; (*) ung* de conturare (8)

a obtenabil pentru unghiuri de contura*

O reducere substanial a ciup^ lui electric pe suprafeele laterale est#

pozitiv.(8) pozitive cu valori cuprinse

45 i aproximativ 60.

Tensiunea de strpungere maxim pentru unghiuri de conturare negative se obine n condiiile n care extinderea zonei de sarcin spaial este aproape identic de ambele pri ale jonciunii metalurgice. Aceast condiie este ndeplinit numai pentru jonciuni adnci cu un gradient redus al impuritilor (vezi i 2 .6 , 2 .7).

n practic obinerea unei conturri ideale se bazeaz pe calitatea (precizia) tehnicilor mecanice (abrazive) de prelucrare a suprafeelor. Din aceast cauz, conturarea prin metode mecanice se utilizeaz pentru dispozitive de arii mari. Pentru dispozitive de arii mai mici (diametre sub 15 mm) soluia mai economic pentru reducerea cmpului la suprafa const n utilizarea conturrii prin corodare.

2.2.4. Conturarea suprafeelor prin corodare

O structur n+p cu suprafaa conturat prin corodare (etch contour) i pasivat cu un dielectric este prezentat n figura 2.19. Acest tip de prelucrare a structurii are efecte similare cu cele produse de unghiul negativ de conturare de valoare redus. ntruct unghiul de conturare este abrupt,

ntr-o asemenea structur cmpul la suprafa are valori mari, iar valoarea tensiunii de strpungere este situat, de regul, ntre 60% i 80% din tensiunea de strpungere ideal (a unei jonciuni plan-paralele). Variante mai elaborate ale structurii din figura 2.19 pasivate cu sticl (glasi- vate) permit obinerea unei tensiuni de strpungere aproximativ egal cu 95% di* valoarea ei ideal, [4, 6, 7],

O alt variant de structur conturat este prezentat n figura 2 .20. Prin corodarea unei pri a stratului p difuzat, zona de sarcin spaial din stratul p este mpins n interiorul acestui strat puternic dopat, ceea ce se concretizeaz prin reducerea cmpului electric la suprafa. Tensiunea de strpungere obtenabil prin aceast metod poate atinge 95% din valoarea ei ideal. Aceast performan implic un control riguros al adncimii corodm.

2.3. Tipuri de diode

2.3.1. Diode redresoare

Diodei redresoare snt proiectate i fabricate special pentru redresarea semnalelor alternative. Aceste dispozitive prezint o rezisten joas

Dielectric

Fig. 2.19. Principiul conturrii unei jonciuni pn prin corodare.

Fig. 2.20. Variant de conturare a unei jonciuni pn prin corodare.

51

ia trecerea curentului intr-un sens (polarizare direct) i o rezistena foarte mari* ia polarizarea inversa a jonciunii. Caracteristica curent, tensiune a unei diode redresoare este descris analitic de relaia (2.25), cu ajutorul creia rezistena static Rr (de curent continuu) n conducie direct se exprim prin [6]

(2.40) f 1q

pentru V > 3& T/f.n mod similar, cu ajutorul relaiei (2.25) rezistena dinamic r ,

(de semnai mic) a diodei se exprim prin [6]

dtv rJcT IdiF qli

(2.41)

Eezistenele static U R} respectiv dinamic r R> la polarizarea invers se exprim cu ajutorul relaiei (2.25) prin [6]

jrh = 1. ~ JLo- pentru \Vp\>3kTjq, (2.42)Ia I

rR = dt,g = 1I) e*|r w . (2.43)d*a ql0

Comparnd ecuaiile (2.40)-f-(2.43) se observ c raportul de redresare n curent continuu {RrIRf ) variaz cu exip(qVF/rikT), n timp ce raportul de redresare n curent alternativ (rR[rF) variaz cu I Fj l 0 exp( qV^rfiT).

Diodele redresoare au, de regul, o vitez de comutare redus, datorit n principal, timpului necesar tranziiei din starea de conducie direct n cea de blocare. Acest timp de ntrziere, proporional cu timpul de via al purttorilor minoritari n baza dispozitivelor, nu constituie un impediment major n funcionarea acestora la frecvena reelei.

n aplicaiile de frecvene nalte, snt utilizate diode redresoare rapide (vezi 2.3.6) a cror vitez mrit de comutare din starea on n starea de off se obine prin micorarea timpului de via din baz (vezi 2.14).

Majoritatea redresoarelor au capabiliti n putere n*gama 0,1... 10W i tensiuni de blocare n invers de la 50 V la 2500 V. Timpii uzuali

o sarcin E l (vezi figura 2,21). Dioda este operat n regiunea de strpungere, prin ea asigurndu-se de la sursa V + prin intermediul rezia- torului R un curent mai mare deet valoarea I aH (vezi figura 2.21.a). Pup asigurarea punctului de funcionare al diodei Zener printr-o polari-

a; b>

Fig. 2.21. (a) Caracteristica I V a unei diode Zener; (6) conectarea dispozitivului ca stabilizator de tensiune pe sarcina i?

zare corespunztoare, dispozitivul stabilizeaz tensiunea pe sarcina R L {la bornele creia este conectat) fa de variaiile curentului prin R L i ale tensiunii de alimentare F +. Aceast trstur distinctiv a diodei Zener se bazeaz pe faptul c, n regiunea de strpungere a caracteristicii I F, variaiile mari ale curentului produc modificri neeseniale ale tensiunii pe dispozitiv. Pentru funcionarea diodei Zener n regim de stabilizare este necesar asigurarea unui curent I z prin dispozitiv de o valoare superioar curentului I Br (vezi figura 2.21.a). Valoarea maxim a curentului prin dioda Zener este limitat de capabilitatea n putere a dispozitivului.

Pentru tensiuni de strpungere V BR de peste 8 V, mecanismul de strpungere al diodelor Zener din siliciu este n principal dominat de multiplicarea n avalan a purttorilor (vezi 2.1.6.). Coeficientul de temperatur al tensiunii stabilizate Vz pentru aceste diode este pozitiv. Pentru tensiuni de strpungere VBn sub 5 V, mecanismul de strpungere &1 diodelor Zener din siliciu este dominat n principal de fenomenul de lunelare (Zener), iar coeficientul de temperatur al tensiunii stabilizate Vz aL acestor dispozitive este negativ. Pentru diode Zener cu Vz ntre5 V i 8 V mecanismul de strpungere este o combinaie a fenomenelor le multiplicare n avajan i de tunelare. Conectarea n serie a dou 4iode Zener, una cu coeficient de temperatur (C T ) pozitiv al tensiunii H iar cealalt cu un C T negativ, permite obinerea cu ajutorul acestor dispozitive a unei referine de tensiune independent de temperatur, l a mod curent snt fabricate diode Zener de 8 .. .12 V, avnd un CT de

Diodele Zener au capaciti paradite de 10 pF pln la nP. Valoarea acestor capaciti este direct proporional cu aria unui dispozitiv, deci cu capabili ta tea sa in putere.

2.3.3. Diode pin

JtL . (Mo) Dioda pin este un dispozitiv semiconductor cu dou terminale i trei straturi, regiunea intrinsec i de rezis- tivitate mare fiind situat ntre straturile p i n (vezi figura 2.22.a). n structurile reale, regiunea idealizat i aproximeaz fie un strat de rezistivitate mare de tip p (denumit strat 7), fie un strat cu proprieti analoage de tip n (denumit strat v). Jonciunile pnn+, realizate prin implantare ionic sau prin difuzie pe un strat epitaxial, constituie n fapt diode pin (pvn)[ * + n

Structura pin constituie un mijloc eficient de mrire a tensiunii de blocare n re- dresoarele semiconductoare de putere. La polarizarea n invers a unei diode p in (j^ pe terminalul conectat la stratul w, aplicat pe contactul p), zonele de sarcin spaial ale jonciunilor pi, respectiv ni, se* extind n principal n stra* tul slab dopat (intrinsec) *

Datorit doprii uniforme a stratului i, cmpul electric E din aceast zon are o valoare constant (vezi figura 2.22.#). Tensiunea de strpungere V mu a diodei pin este aproximativ egal cu aria dreptunghiului din figura 2.22.d. ntruct cmpul maxim (critic) Ecr n siliciu la dopri reduse este de 2,5* IO6 V/cm(= 25 V/(j.m), tensiunea de strpungere a structurii pin polarizate invers este [4,6].

r t

/ Idi

Fig. 2.22. Distribuiile de impuriti (*), ale densitii de sarcina (

La polarizarea n direct a structurii pin (-f* pe terminalul conectat la stratul Pi pe contactul ataat stratului ) , curentul In direct %r prin dispozitiv este format de golurile injectate din stratul p+ n zona i, respectiv din electronii Injectai din stratul n regiunea i. ntruelfe concentraiile de goluri (jp) i electroni ( ) injectai de jonciunile p*i> respectiv *+* stn cu mult superioare concentraiei din zona * , ( * , ) , regiunea central (i) a dispozitivului se afl ia nivel mare de injecie (p = a, vezi | 2.1.10).

Densitatea J a curentului direct prin structur este in acest cas (4,6]

J = -V *W. (2 .4 5 )

unde ra este timpul de via Auger (vezi relaia 2.37) iar n concentraia medie a purttorilor de sarcin n stratul i.

La nivel mare de injecie (w == p), densitatea J a curentului prin tructur va fi determinat n principal de drift, ceea ce implic [4,6]

J = q\innE _j_ q 1 cderea de tensiune n direct pe stratul i crete pronunat. Pentru TV jL a < 1, contribuia cderii *de tensiune Vt la valoarea total a cderii de tensiune pe dispozitiv este redus ivezi i 2.7). Rezistena ohmic a stratului i [6].

j t 3fc T W 1 (2 .49 )1F 8 ql)a t* I

este invers proporional cu curentul direct prin dispozitiv (!>), cu coeficientul ambipolar de difuzie I )a = 2DJ(1 + b)t cu timpul de via A uger t# i direct proporional cu grosimea (W ) stratului i.

2.3.4. Varaetoare

Termenul de varactor deriv din vmrimble reactor i Ursei*ueaza an diapozitiv a crui reactan poate fi modificat ntr- un i*od controlat prinlr-o tensiune de polarizare. Diodele fabricate special n scopul utilizrii dependenei capacitii lor de barier CB de tensiunea aplicat poart denumirea de diode varicap sau varaetoare [2, 6].

Proprietate* fundament diodelor varicap este relevat de relaia #2.10). O dat eu creterea polarizrii inverse a diodei, limea " a zonei de arein spaial scade ?i, in consecin, Ca se micoreaz. O dependena tipic r * **RVa) pentru o diod varicapeste prezentat In figura 2.23. n mod similar, pentru o polarizare pozitiv a diodei, Tr scade i deci CB erete.

-w v

5 ,V V5 20 25

Tepz ijne inversa [V ]----- Fir. 2,23. Dependent tipic a capacitii pe barier Cg a unei diode varicap de tensiunea

invers aplicat.

/WV-

Fig. 2.24. Dioda varicap 1; vers : (a) simbolul diodei,

circuit.

polarizare la- b) modelul de

Modelul de circuit al diodei varicap la polarizare invers este prezentat in figura 2.24. Rezistorul R, modeleaz rezistena serie ohmic a diodei. Valorile tipice pentru Gs i R, snt de 2 0 pF i 8,5 H, la o polarizare invers de 4 V. Eezistena invers a diodei R r (care unteaz capa- citorul Cj) are o valoare mare ( 1MH) i, de regul este neglijat.

Diodele varicap snt utilizate n amplificatoare parametrice, detectoare, sisteme de mixare a semnalelor etc.

n circuite utilizate la frecvene nalte, se impune ca valoarea capacitii CB a diodei varicap s fie de valoare ct mai redus. Motivul principal este urmtorul: dioda este utilizat n polarizare direct atunci eind se urmrete prevenirea transmisiei unui semnal. Dac ns capacitatea de barier C are o valoare mare, curentul invers va trece prin C/, anulnd astfel proprietatea de redresor a diodei.

2.3.5. Varistoare

Un varistor (vaxmble raistor) este un dispozitiv cu dou terminale, a crui caracteristic curent/ (I) tensiune (V ) este neliniar. Un asemenea comportament ne-otamic il are o diod cu jonciune pn (vezi relaiile2.40__2.43). Caracteristici similare se obin pentru diode cu jonciuneametal-semiconductor (vezi 2.3.7) [6].

V&ristoarele snt utilizate n calitate de limitatoare de tensiune. Conectarea a dou varistoare n antiparalel permite obinerea unui limita- tpr n ambele sensuri [6].

Diodele eu revenire rapid (fast-reeovery diodes) tint utilizate ia circuitele care funcioneaz la viteze mari de comutaie.

Diodele rapide se pot clasifica in dou tipuri : diode difuzate cu jonciuni pn i diode cu contact metal-semiconductor (diode SchoUky, vezi 2.3.7). Circuitul echivalent pentru ambele tipuri de diode este cel al unei diode varicap (vezi figura 2.24). Comportamentul dinamic la blocare al ambelor tipuri de diode este similar celui descris in f 2.1.8.

Timpul total de revenire .(=^4 -*2, vezi 2.1.8) al unei diode rapide cu jonciune pn poate fi substanial redus prin introducerea centrilor de recombinare (vezi 2.14). Beducerea pe aceast cale a componentelor principale ale timpului trr conduce ns la creterea curentului invers Im al diodei i la scderea tensiunii de strpungere [4, 6, 7].

13J. Diode rapide de comutaie

2.3.7. Diode Sehottky de putere

Particulariti funcionale ale diodei Sehottky

Diodele Sehottky reprezint o categorie distinct n cadrul familiei de diode redresoare prin aceea c funcia de redresare este realizat de contactul ntre un metal i un semiconductor i nu de jonciuni pn semiconductoare [8-r-13].

Conform modelului propus de W. Sehottky, la jonciunea dintre metal i semiconductor se formeaz o regiune de sarcin spaial (regiune de barier) (care explic comportarea redresoare a contactului [8, 10, 11].

Curentul prin dioda Sehottky este transportat de un singur tip de purttori, purttorii majoritari din semiconductor (goluri sau electroni).Deoarece mobilitatea electronilor este de 2 __3 ori mai mare dect cea agolurilor, diodele Sehottky snt realizate aproape exclusiv pe semiconduo- de tip n. Absena injeciei de purttori minoritari pentru dioda Sehottky (spre deosebire de diodele cu jonciuni pn) are dou consecine majore [10] :

nu exist sarcin stocat la nivelul jonciunii fapt care determin o comportare excelent n comutaie; timpii de comutaie depind exclusiv de capacitatea dispozitivului;

nu apare fenomenul de modulare a rezistivitii stratului semiconductor determinat de creterea nivelului de curent; tensiunea n con- ducie i tensiunea de blocare snt sensibil mai mici dect n cazul diodelor cu jonciuni pn.

Aceste particulariti funcionale confer cteva avantaje clare diodelor] Sehottky, fcndu-le de nenlocuit ntr-o serie de aplicaii n care se cer, viteze mari de comutaie f i disipaii miei de putere la nivele mari de cureni de conducfie i n care tensiunile de blocare nu snt critice.

n TaJbdul 2,1 snt prezentate comparativ caracteristicile diodelor redresoare normale, rapide, epitaxiale i Sehottky [8, 9 ].

Aplicaiile tipice pentru diodele Sehottky de putere snt:g surse de tensiune mio (n regim de comutaie) pentru calculatoare} invertoare, choppere

57

T u i 2.1.

Taliei eonjKUraUv en nurAdtrtiikilc ioektr n4n$oarr normale, rapide, fpitaxlale l Sfhoitkj,

Tipul diodei ] Tensiune de 1 Tensiune In 1 Timp de ; Curent mediu.blocare i eondueUe | comutaie redresat

Dtode pii iirrnale difuzate | l.OOik .. ,303OV j 1 ,2 . . . 1 .4V j 5*is 0 .4 . . . 100GA

Diode p n rapide difuzate ! 600 ... . 1200V | 1 ,4 . . . i . s v 1 0 ,2 .. . 1 as 11 0 ,4 .. . 600A;

Diaile pn epit axiale-j [- i 100. . 00V 1 1 . . . i . a v J 0 ,0 5 . . . 0 ,l(xs 1 0 .4 . . . IA

D iode Sgliottky 1 30 .. . 60V 1: o ,6. . . o . s v J 0 ,05 . . .0,08jas| 10 . . . 80A

Tehnologia de realizare a diodelor Schottky de putere [12, 13]

Dificultatea tehnologic major n obinerea diodelor [Schottky de putere o constituie realizarea contactului metal-semiconductor.

Etapele tehnologice principale snt urmtoarele (vezi figura 2.25) creterea epitaxial a unui strat de tip n cu o concentraie de im

puriti de IO15.. .1016 cm8 i cu o grosime de civa microni pe un substrat de tip n+ de rezistivitate mic (2 .. .5 mQ cm) i grosimea 150... 200 am care constituie un suport mecanic bun pentru procesrile ulterioare ;

realizarea inelului de gard inelul de gard const dintr-o difuzie p+ selectiv i are rolul de a reduce efectele de margine (tehnic uzual pentru reducerea intensitii cmpului electric n regim de blocare la marginea jonciunii, vezi 2.2.2.);

realizarea contactului Schottky prin depunerea n vid n condiii de acuratee deosebit a straturilor metalice.

Contactul metalic const n general dintr-o succesiune de straturi metalice avnd fiecare un rol bine precizat. Primul metal depus pe stratul epitaxial este cromul sau molibdenul care confer caliti optime contactului metal-semiconductor. Al doilea strat metalic (n general nichel) are un dublu r o l : constituie (a) un strat metalic corespunztor din punct de vedere al interaciunii cu aliajele uzuale de lipit folosite n montajul pe capsul i (b) un ecran ce evit contaminarea contactului metal-semiconductor cu compui din aliaj care ar afecta calitatea contactului metal-semiconductor. Ultimul strat (n general argint) este folosit pentru protejarea stratului de nichel mpotriva oxidrii;

tratamentu