VÝKONOVÉ DIODY Výkonové polovodičové diody se v aplikacích používají k zabezpečení průchodu proudu jedním směrem, nejčastěji k usměrňování střídavého proudu.
0,1 A ≤ IFAV ≤ 5000 A 50 V ≤ URRM ≤ 10000 V
V některých aplikacích je požadován rychlý přechod z propustného stavu do závěrného stavu a naopak.
PROPUSTNÝ STAV VÝKONOVÉ DIODY Při polarizaci v přímém směru, bude diodou protékat proud IF. Na diodě se ustaví úbytek napětí UF
Závislost UF = f(IF) nazýváme propustnou charakteristikou diody
UF =UP +UN +UI Úbytky napětí na přechodech P+I a N+I
UP +U N =
2kT J ln e J 0H
Úbytek napětí na střední oblasti UI je z největší části dán odporem, který klade průchodu proudu oblast mezi krajními vrstvami P+ a N+. Podle Ohmova zákona platí E = J/γ , konduktivita γ = e(nµn + pµp)
Rozložení koncentrace nerovnovážných nosičů lze získat pomocí rovnice kontinuity 2
d ∆n ∆n = 2 2 dx La
La = Daτ H Da =
2 Dn
µn 1+ µp
=
2 Dp 1+
µp µn
Proud přechody P+I a N+I je difúzní d∆n J = dx w / 2 2eDn
d ∆n J = dx − w / 2 2eDp
x x cosh sinh − µ µ L La Jτ H n p a ( ) ∆n x = − 2eLa w µn + µ p w cosh sinh 2 La 2 La
Elektrické pole ve střední oblasti je možno vyjádřit vztahem
kT µ n − µ p d∆n E (x ) = − e(µ n + µ p )∆n( x ) e∆n( x ) µ n + µ p dx J
Napětí na střední oblasti je možno získat integrací w/2
UI = −
∫ E ( x)dx
−w / 2
Jednoduché řešení je možno získat pro případ w/La >> 1 a µn/µp = b .
w 2π b kT UI = exp 2 (b + 1) e 2 La
w kT = B exp e 2 La
Při vysoké koncentraci ∆n dochází k rozptylu ∂µ nosičů na nosičích, klesá pohyblivost ≤0
∂∆n
Důsledkem rozptylu nosičů na nosičích je růst úbytku napětí UI s rostoucí proudovou hustotou.
U F = K 1 ln
J J 0H
+ K2J m
0,5 < m < 0,75
U F = K1 ln
J J 0H
+ K2 J m =
= K 0 + K1 ln J + K 2 J m pro w > L
w K 2 ~ exp 2L
Pro zjednodušení obvodových simulací se V-A charakteristika diody nahrazuje přímkou
U F = U (TO ) + rT I F IFAV je typový (jmenovitý) proud
rT =
∆U F π I FAV
rT
roste s poměrem w/L
U(T0) klesá s rostoucí teplotou rT
roste s rostoucí teplotou
ZÁVĚRNÉ VLASTNOSTI DIODY Velikost maximálního dosažitelného průrazného napětí strmého rovinného přechodu PN (pro NA >> ND )
U BR ≈
Dosažitelné průrazné závěrné napětí UR(BR) ≤ UBR je omezeno způsobem zakončení přechodu PN Zkosení povrchu
N Oblast prostorového náboje přechod P+
2 ε rε 0 EBR
2eN D
P+ Přechod Oblast prostorového náboje N
2 ε rε 0 EBR
Pro vysoké průrazné napětí UBR je zapotřebí U BR ≈ 2eN D • materiál o nízké koncentraci donorů ND •velká šířka oblasti prostorového náboje a tedy i velká wN. ⇒ velká vzdálenost w
mezi emitory N+ a P+.
Požadavek současného dosažení vysokého UR(BR) a nízkých propustných ztrát je konfliktní. Nízké úbytky napětí UF je možno dosáhnout pouze při zachování dlouhé doby života nerovnovážných nosičů τ v průběhu technologického procesu
Normální konstrukce (NPT) U R ( BR )
= E BR d N −
e ND d N2 2 εI ε0
Konstrukce se stlačeným polem (PT) e N Dν U R ( BR ) = E BR wN − wN2 2 εI ε0
Výhody PT konstrukce: • je možno stejného závěrného napětí dosáhnout při menší vzdálenosti w krajních N+ a P+ vrstev, čemuž odpovídá nižší propustné napětí při stejné proudové hustotě a stejné době života nosičů, • je možné dosáhnout stejného závěrného napětí a stejné propustné charakteristiky při kratší době života nosičů. Nevýhody PT konstrukce: • problém povrchového zakončení přechodu PN • možnost vzniku oscilací v průběhu procesu závěrného zotavení
Pro každý typ součástky je stanoven (s ohledem na tepelnou stabilitu) •
rozsah přípustných provozních teplot
•
maximální opakovatelný závěrný proud IRRM,< IRM
IFAV (A) 10 25 160 600
• opakovatelné závěrné napětí URRM, nejvyšší přípustné okamžité napětí, kterým je možné periodicky zatěžovat součástky v závěrném směru v celém rozsahu pracovních teplot..
IRM (mA) 20 40 60 100
DYNAMICKÉ PROCESY VE VÝKONOVÝCH DIODÁCH Rozložení koncentrace nosičů v objemu součástky v propustném a závěrném stavu se výrazně liší Propustný stav – oblast mezi emitory N+ a P+ zaplavena nerovnovánými nosiči
Závěrný stav – na přechodu PN oblast prostorového náboje zcela zbavená volných nosičů
PŘECHOD ZE ZÁVĚRNÉHO DO PROPUSTNÉHO STAVU (zapínací proces) Vnějším zdrojem je v obvodu vynucen nárůst propustného proudu s vysokým diF/dt. Vnitřní vrstvy jsou postupně zaplavovány nosiči injektovanými z krajních N+ a P+ vrstev
uF (t ) = uP (t ) + uN (t ) + uI (t ) = uP (t ) + uN (t ) + uOhm(t ) + uDem(t )
tfr - doba propustného zotavení
PŘECHOD Z PROPUSTNÉHO DO ZÁVĚRNÉHO STAVU (vypínací proces) Při změně směru proudu v obvodu zbývá v bázi diody náboj nerovnovážných nosičů t0 ts
tf
IF 0.25 IrrM
0
t
IrrM
UF 0
0
t
-URW
Teprve až klesne vlivem odvedení a rekombinace koncentrace nosičů v místě přechodu PN na rovnovážnou hodnotu, může se na přechodu PN začít vytvářet oblast prostorového náboje a dochází k zotavení závěrných vlastností diody.
Možnosti řešení:
∂∆n( x , t ) ∆n( x , t ) 1 ∂J n ( x , t ) =− + e ∂x ∂t τn ∂∆n(0, t ) J n (t ) = eDn ∂x
Řešení rovnice kontinuity okrajové podmínky
současně s Poissonovou rovnicí
r e( p − n + N D − N A ) div E = − div gradU =
ε rε 0
Numerické simulace
Řešení v přiblížení nábojové analýzy Dává semikvantitativní výsledky
Q dQ = i (t ) − ∗ dt τH
Q dQ = i (t ) − ∗ dt τH
V propustném stavu diodou prochází konstantní proud IF Q( 0) = I τ ∗ F H
Jestliže
t i (t ) = I F 1 − t0
τ H∗ Q(t ) = I τ t0 ∗ F H
t t 1 exp 1 + − − − τ ∗ t 0 H
Oblast prostorového náboje se vytvoří, když náboj klesne na hodnotu Q1 v čase t = t0 + ts, kdy proud dosáhne hodnoty –Irrm. t > t0 + ts
τ eff
wR2τ H* = * τ H Cπ 2 Da + wR2
t +t −t i (t ) = − I rrM exp 0 s τ eff wR = wN – d je šířka oblasti, ve které zůstávají nerovnovážné nosiče po vytvoření oblasti prostorového náboje na přechodu PN
Proces závěrného zotavení bývá obvykle charakterizován dobou závěrného zotavení trr a nábojem závěrného zotavení (komutačním nábojem) Qrr. t rr
Qrr = ∫ i(t ) dt 0
Qrr =
1 1 di I rrM trr = ts trr 2 2 dt
Pokud je dioda zapojena do série s indukčností, vzniká v průběhu procesu závěrného zotavení vlivem přerušení průchodu proudu na diodě přepětí, Je-li maximální pracovní napětí URW
t (− diF dt ) ≈ U RW 1 + s U rrM = U RW 1 + diR dt tf
U diod s PT konstrukcí mohou vzniknout vysoká přepětí, případně výrazné oscilace
Diody s měkkým zotavením (soft diodes) Pro dosažení měkkého zotavení (tf > ts) je třeba snížit koncentraci nosičů na straně P+ Toho je možno dosáhnout
A) Snížením doby života pod emitorem P+ (ozařování protony, He++, difúze Ir, apod.)
B) Snížením injekční účinnosti emitoru P+
τ = const
Výkonové Schottkyho Diody Přenos náboje v Schottkyho diodách je realizován majoritními nosiči Časové konstanty zapínání a vypínání spojeny pouze s nabitím kapacity oblasti prostorového náboje na přechodu polovodič – kov
n-
Důležitým parametrem je rezistivita ρN
VBR ∝ ρ N 3
4
RS ∝ ρ N
C∝ρ
WF
VBN
W c
Wv
VB
RN
RN+
A
A Epitaxial layer Substrate
n+
n+
- 12 N
S rostoucím ρN roste průrazné napětí, roste časová konstanta RsC a zhoršuje se propustná charakteristika
n-
K
A
p+
p+
n n+ K
K
Rc
10
Rychlá dioda může být realizována paralelní integrací MNN+ Schottkyho diody a P+NN+ diody
p+-n-n+ diode
100
JF A/mm2
(označuje se MPS, SPIN, JBS ….)
MPS diode
10-1
Schottky diode
A
10-2 A
Schottky diode
p+
n n+
10-3
(a)
0.2
0.4 V 0.6 F
K
(c)
i
50 µm
Schottky
0 p+
0.8
V K
(b)
0
Schottky diode
MPS
PIN
t
1.0
