UČINSKE POLUVODIČKE KOMPONENTE

1. UČINSKA ELEKTRONIKA UČINSKE POLUVODIČKE KOMPONENTE • temeljne poluvodičke strukture • pregled vrsta poluvodičkih ventila • dinamička svojstva poluvodičkih ventila • pobudni stupnjevi poluvodičkih ventila • zaštita poluvodičkih ventila osiguračima • osnove toplinskog proračuna poluvodičkih ventila Ak. god. 2010/2011 Zagreb,

2. UČINSKE POLUVODIČKE KOMPONENTE TEMELJNE POLUVODIČKE STRUKTURE Poluvodičkih učinskih ventila ima oko pedeset različitih vrsta. Ne treba ih za sada posebno učiti. Samo treba prepoznati da se unutar monokristala silicija (pravilne kristalne rešetke) može naći šest različitih struktura. PN struktura struktura metal - poluvodič MOS struktura

3. TEMELJNE POLUVODIČKE STRUKTURE ZAPIRANJE I VOĐENJE DIODNE STRUKTURE Dakle, P+-područje je anoda, a N+-područje katoda.

4. TEMELJNE POLUVODIČKE STRUKTURE UVJETI VOĐENJA TIRISTORSKE STRUKTURE - I

5. TEMELJNE POLUVODIČKE STRUKTURE UVJETI VOĐENJA TIRISTORSKE STRUKTURE - II Dakle, P-područje je anoda, N-područje je katoda, a P-područje do katode upravljačka elektroda (geit). PUT ili tiristor s N-upravljačkom elektrodom (engl. programmable unijunction transistor)

6. TEMELJNE POLUVODIČKE STRUKTURE HIDRAULIČKA ANALOGIJA DIODNE I TIRISTORSKE STRUKTURE Analogija diodne strukture Analogija tiristorske strukture Kada se jednom izvuče zapor, više se ne može zaustaviti tok.

7. TEMELJNE POLUVODIČKE STRUKTURE PRIMJERI SPAJANJA OSNOVNIH POLUVODIČKIH STRUKTURA Tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom (IGBT) sastavljen je od PNP tranzistorske strukture (P+N+ N-P), NPN tranzistorske strukture (N-PN+) i MOS strukture (metal - oksid - P-poluvodič). Ove strukture tvore klasični tiristor i MOSFET.

8. UČINSKA PIN DIODA STRUKTURA

9. UČINSKA PIN DIODA PROBOJ NA KONTURI - PROBLEM

10. UČINSKA PIN DIODA PROBOJ NA KONTURI - RJEŠENJE

11. UČINSKA PIN DIODA MEHANIČKA NAPREZANJA- PROBLEM

12. UČINSKA PIN DIODA MEHANIČKA NAPREZANJA- RJEŠENJE: JEDNOSTRANO HLAĐENJE

13. UČINSKA PIN DIODA MEHANIČKA NAPREZANJA- RJEŠENJE: DVOSTRANO HLAĐENJE

14. UČINSKA PIN DIODA DINAMIČKE KARAKTERISTIKE

15. UČINSKA PIN DIODA DINAMIČKE KARAKTERISTIKE

16. UČINSKA PIN DIODA DINAMIČKE KARAKTERISTIKE b) U krugu postoji induktivnost

17. UČINSKA PIN DIODA DINAMIČKE KARAKTERISTIKE

18. UČINSKA PIN DIODA DINAMIČKE KARAKTERISTIKE Procjena gubitaka isklapanja Primjerice, ako je V = 1000 V, a Q = 50 μAs, onda je W = 0,05 Ws. Kod 50 Hz to je samo 2,5 W, a kod 1000 Hz to je već 50 W. Gubici isklapanja ograničuju upotrebu silicijskih dioda na višim frekvencijama. Sklopni gubici rastu linearno s frekvencijom!

19. SCHOTTKYJEVA DIODA

20. SCHOTTKYJEVA DIODA Načelo rada – Elektroni u N-poluvodiču imaju manji rad izlaza od elektrona u metalu. – Elektroni iz N-poluvodiča prelaze u metal. – Metal postaje negativniji od poluvodiča. – Nastane potencijalna barijera (kao da je metal P-poluvodič). – Tok elektrona iz poluvodiča u metal jednak je toku elektrona iz metalau poluvodič. – Uočite da nisu u igri minoritetni (šupljine) nosioci naboja. To je bitna razlika između PN diode i Schottkyjeve diode. – Metalno područje je anodno područje.

21. SCHOTTKYJEVA DIODA

23. KLASIČNI TIRISTOR

24. KLASIČNI TIRISTOR PROBLEM NEJEDNOLIKOG ŠIRENJA VODLJIVOG PODRUČJA TIJEKOM UKLAPANJA RJEŠAVA SE POSEBNIM KONSTRUKCIJAMA GEITA (UPRAVLJAČKE ELEKTRODE)

25. KLASIČNI TIRISTOR KOD ISKLAPANJA TIRISTORU JE POTREBNO OSIGURATI DOVOLJNO VRIJEME ODMARANJA (VEĆE OD VREMENA OPORAVLJANJA)

27. TRIJAK TRIJAK IMA SLOŽENU STRUKTURU, NIJE TAKO POUZDAN I NE KORISTI SE KAO U PROFESIONALNOJ PRIMJENI. PRIMJER KORIŠTENJA PRIMJERICE KOD KUĆNIH REGULATORA RASVJETE.

29. GTO GEITOM ISKLOPIV TIRISTOR (GTO) TAKOĐER IMA SLOŽENU POLUVODIČKU STRUKTURU, IZUZETNO SLOŽEN POBUDNI UREĐAJ, TE GA JE DANAS GOTOVO U POTPUNOSTI ISTISNUO IGBT.

31. IZLAZNI STUPANJ IMPULSNOG UREĐAJA ZA OKIDANJE TIRISTORA U tiristore spadaju: inverzno nevodljivi tiristor (klasični tiristor: mrežni i frekvencijski), inverzno vodljivi tiristor, trijak i upravljačkom elektro-dom isklopivi tiristor (GTO). Svi ovi tiristori imaju jednaku mikrostrukturu geita. Zato su zahtjevi na uklopni (okidni) impuls u načelu jednaki. Isklopnim impulsom GTO-a se ne ćemo baviti.

32. IZLAZNI STUPANJ IMPULSNOG UREĐAJA ZA OKIDANJE TIRISTORA

33. IZLAZNI STUPANJ IMPULSNOG UREĐAJA ZA OKIDANJE TIRISTORA Optimalni okidni impuls Okidni impuls karakterizira: brzina porasta, amplituda i trajanje. Definicija brzine porasta (strmine), amplitude i trajanja okidnog impulsa

34. IZLAZNI STUPANJ IMPULSNOG UREĐAJA ZA OKIDANJE TIRISTORA TRAJANJE OKIDNOG IMPULSA Trajanje okidnog impulsa mora biti barem barem tako dugo dok se ne uspostavi mehanizam pozitivne povratne veze unutar strukture tiristora (nosioci naboja moraju ‘proputovati’ kroz središnje područje silicijske pločice). Odavde je očito da niskonaponski tiristori uklapaju brže od visokonaponskih.Na sigurnoj smo strani ako okidni impuls traje dulje od 50 μs. Trajanje okidnog impulsaponekad određuje i sklop u kojem se tiristor nalazi, primjerice kod usmjerivača u trofaznom mosnom spoju. Trajanje okidnog impulsa ponekad određuje trošilo, primjerice kod tiristorskog ispravljača u jednofaznom mosnom spoju za napajanje uzbude istosmjernog motora.

35. IZLAZNI STUPANJ IMPULSNOG UREĐAJA ZA OKIDANJE TIRISTORA Otklanjanje lažnih okidnih impulsa

37. UČINSKI MOSFET (metal – oxide – semiconductor field effect transistor) MOS tranzistor s efektom polja Za energetsku elektroniku postao je značajan osamdesetih godina XX. stoljeća. Na tržištu se pojavio oko 1985. godine. Zamijenio je bipolarni tranzistor u primjenama u kojima se traže dobre sklopne karakteristike (što manji sklopni gubici). Ideja je stara. Još je 1934. god. ukazano (Heil) da se pomoću vanjskog električnog polja okomitog na površinu poluvodiča može upravljati strujom kroz poluvodič.

38. N-kanalni MOSFET (obogaćeni tip) uvod može se ostvariti polisilicijem odvod Odlike i mane: proizlaze iz njegove unipolarne prirode: umjerena naponska opteretivost i dobre sklopne karakteristike. Dvije posebnosti: omski kontakt uvoda spojen je na kanalno p-područje i metalna elektroda geita nalazi se iznad n-područja. No, o tome kasnije.

39. uvodno područje kanalno područje driftno područje odvodno područje uvod odvod n--područje je područje odvoda, n+-područje je područje uvoda, a strjelica predstavlja kanalno p-područje. Strjelica je spojena s uvodom, jer je kanalno područje spojeno s uvodom. Strjelica je u smjeru propusne polarizacije p-n+ prijelaza.

40. Još o strukturi uvod odvod – Uvod i odvod su na nasuprotnim stranama silicijeve pločice. Tako su postignute najveće moguće površine metalnih kontakata uvoda i odvoda. Ova struktura se naziva VDMOS struktura (vertical diffused MOSFET). Naziv je u vezi s tehnološkim procesom proizvodnje.

41. Tehnološki proces proizvodnje: – podloga je n+-silicijska pločica (područje odvoda), – epitaksijalnim rastom na podlozi dobije se n–-područje (driftno podru-čje) željene debljine, – prvom difuzijom kroz nemaskirana područja sa strane uvoda dobije se p-područje (kanalno područje), – drugom difuzijom kroz nemaskirana područja sa strane uvoda dobije se n+-područje (područje uvoda), – metalizacijom se dobiju omski kontakti uvoda, odvoda i geita.

42. Karakteristike na temelju strukture – Metalni kontakti uvoda i odvoda su isprepleteni (gledajući sa strane uvoda). uvod uvod (rupa) Tako je postignut najveći mogući presjek kanala, tj. opseg geita (opseg geita jednak je opsegu jednog elementarnog geita pomnoženim s brojem elementarnih ćelija). Na bazi rasporeda a) International Rectifier je konstruirao svoj učinski MOSFET, komercijalno nazvan HEXFET.

43. – Struktura sadrži parazitni bipolarni tranzistor (BJT) i tzv. ugrađenu diodu. Parazitni tranzistor je svojstven strukturi MOSFET-a (ne može se izbjeći). On ne smije uklopiti. Zato je njegov emiter kratko spojen s bazom. No, stvorena je parazitna (tzv. ugrađena) dioda. Dakle, učinski MOSFET nema zapornih svojstava, on u inverznom smjeru vodi struju. Parazitna dioda može se iskoristiti u sklopovima autonomnih izmjenjivača.

44. – Za svojstvo blokiranja odgovoran je p-n– prijelaz. Očito, kanal je to dulji što je veći probojni blokirni napon. Granica zone prostornog naboja ako se metalna elektroda geita ne proteže iznad n–-područja. n–-područje mora biti dovoljno slabo dopirano da bi se zona prostornog naboja mogla nesmetano širiti.

45. – Prekrivanjem n–-područja metalnom elektrodom geita smanjena je jakost električnog polja na rubu p-n– prijelaza. Metalna elektroda geita se proteže iznad n–-područja.

46. – Prekrivanjem n–-područja dobiveno je još jedno dobro svojstvo strukture: povećana vodljivost n–-područja (n–-područje naziva se driftno područje). Ispod SiO2 stvoren je akumulacijski sloj, te je povećana vodljivost driftnog područja (smanjen je pad napona u stanju vođenja).

47. V-I karakteristike (izlazne karakteristike) MOSFET (n-kanalni) bipolarni tranzistor (NPN) Uvod S je obično zajednički ulaznom i izlaznom krugu.

48. Područja rada MOSFET-a Podsjetimo se. Kod bipolarnog tranzistora područja rada su: područje zasićenja, aktivno područje i blokirno područje. Dakle, otporno područje analogno je području zasićenja. Aktivno područje nekad se nazivalo i pentodno područje.

49. ID-VGS karakteristika (prijenosna karakteristika) Uočite da iznad tzv. napona praga VGS(th) struja odvoda naglo raste.

50. Fizikalno objašnjenje napona praga L = duljina kanala Ponovite iz elektronike kako nastaje inverzioni sloj. Ovdje je dovoljno znati da inverzioni sloj nastaje kod određenog napona i da se taj napon naziva napon praga. Kod učinskog MOSFET-a napon praga iznosi nekoliko volti. Napon praga, iako ovisi o nizu čimbenika, može se po volji podešavati.