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