Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 5_Полупроводниковые приборы для силовой электроники
.pdf
5.10 |
Мощные силовые МДП-транзисторы |
|
Недостатки такой структуры: |
|
Малое сечение канала, поэтому большое Rкан. |
|
Увеличение ширины канала → рост Спар. |
|
Наличие вблизи границы полупроводник- |
Структура «обычного» |
диэлектрик поверхностных состояний – |
МДП-транзистора |
ловушек захвата носителей заряда |
|
Исток и сток расположены на разных |
|
плоскостях кристалла. |
Количество базовых ячеек на кристалле может составлять тысячи.
|
Канал возникает при подаче на затвор |
|
|
напряжения U>0 относительно истока. |
|
Базовая ячейка МДП-транзистора |
Сопротивление канала транзистора |
|
(сумма сопротивлений каналов всех |
||
с вертикальной структурой |
||
ячеек) может достигать 1 мОм и ниже. |
||
|
5.11 |
Мощные силовые МДП-транзисторы |
Низкое Rкан обеспечивает ток стока, существенно превышающий 100 А. При закрытом канале транзистор способен выдерживать напряжение несколько сотен вольт.
Соотношение между напряжением пробоя и сопротивлением канала определяется толщиной эпитаксиального слоя.
Скорость переключения ограничена только процессами перезарядки паразитных емкостей, поэтому быстродействие довольно высокое.
Особенностью МДП-транзисторов с вертикальной структурой является наличие между И и С p-n-перехода (внутренний антипараллельный диод).
Условное
графическое
обозначение
У антипараллельного диода для ВЧ-устройств. Повысить быстродействие
антипараллельного диода можно либо облучением электронами базы диода, либо легированием атомами платины.
ВАХ мощных MOSFET-транзисторов похожи на ВАХ обычных ПТ с индуцированным каналом. Они имеют линейный участок и область насыщения.
Мощные силовые МДП-транзисторы
Выходные ВАХ мощного MOSFET-транзистора при различных напряжениях на затворе
5.12 |
IGBT транзисторы |
Для изготовления высоковольтных мощных MOSFET с высоким напряжением пробоя надо увеличивать толщину его эпитаксиального слоя. Увеличение Uпр приводит к росту Ron (Ron пропорционально квадрату Uпр). Это увеличивает падение напряжения UСИ и, соответственно, рассеиваемую мощность. Использовать такой транзистор при больших IС и UСИ нельзя.
Возникла идея совместить ПТ и БТ в одном, так появился биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – Insulator Gate Bipolar Transistor). В нем БТ образует силовой канал, ПТ - канал управления.
|
Эквивалентная |
Условное |
|
схема IGBT- |
графическое |
Структура IGBT-транзистора |
транзистора |
обозначения |
|
|
5.13 |
Мощные силовые МДП-транзисторы |
IGBT имеют ряд преимущества перед мощными MOSFET и БТ.
- В диапазоне рабочих токов выше 100 А падение напряжения UКЭ составляет всего 1,5…3,5 В. Поэтому при одинаковых токах в IGBT существенно меньше, чем в MOSFET.
-IGBT обладают высоким входным сопротивлением и низким уровнем управляющей мощности. Это гораздо проще, чем для тиристоров и БТ.
-IGBT хорошо проводят ток в прямом направлении и практически не проводят в обратном, они обладают повышенной устойчивостью к КЗ.
Однако по скорости переключения IGBT уступают MOSFET.
Выходные ВАХ IGBT-транзисторов
Типичные значения τрасс и спадания тока при выключении MOSFET и IGBT составляют
0,2–0,4 и 0,2–1,5 мкс соответственно. Поэтому при закрывании IGBT ток IК имеет «хвост» за счет небольшой проводимости, вызванной невысокой скоростью закрывания.
Поэтому IGBT наиболее эффективно использовать в низкочастотных и высоковольтных приложениях.
5.14 |
Силовая электроника на широкозонных полупроводниках |
Свойства полупроводниковых материалов для силовой электроники
У SiC при комнатной температуре Е = 3,2 эВ (для GaN: Е = 3,45 эВ; для Si: Е = 1,1 эВ). Поэтому приборы на SiC могут работать при T ~ 500°С.
Для SiC критическая напряженность поля, при которой возникает электрический пробой, Екр = 2,2 МВ/см (у кремния Екр = 0,25 МВ/см). Это означает, что при том же SiCдиод может иметь на два порядка сильнее легированную базу, чем Si-диод. Это приводит к меньшему сопротивлению базы диода и меньшей рассеиваемой мощности в нем.
5.15 |
Силовая электроника на широкозонных полупроводниках |
|
Теплопроводность SiC: λ = 4,5 Вт/см·К примерно такая же как и у меди. Она в 3 раза выше, чем у кремния, что упрощает отвод тепла.
Постоянная решетки у SiC: а = 0,31 нм (у Si: а = 0,54 нм). Из-за высокой плотности упаковки SiC обладает значительно большей стойкостью к радиации, чем Si (атомная энергетика, военная и космическая области).
На основе SiC производятся диоды Шоттки, MOSFET и JFET, IGBT, а также тиристоры на напряжения до 10 кВ.
У SiC-диодов Шоттки τвосс ~15 нс, что в 2−3 раза меньше, чем у FRDдиодов на Si.
MOSFET-транзисторы на SiC при высоких Uпроб имеют низкое
Rкан(on)
(например, Rкан=0,4 Ом при Uпроб = 600 В).
SiC-диод Шоттки |
SiC-транзистор |
|